Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? — Naked Science
Редакция

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Парадокс Мпембы, замеченный чернокожим школьником-любителем мороженого, наконец, получил строгое объяснение.

9368081572_759cc81a2c_b
©Wikipedia

Иногда горячая вода замерзает быстрее холодной. На этот эффект обращали внимание еще древнегреческие философы, но долгое время он оставался забытым. В поле современной науки его ввел… африканский школьник Эрасто Мпемба. В 1963 г. он обратил внимание на то, что горячая смесь мороженого застывает быстрее холодной, а в 1969 г. опубликовал статью, посвященную феномену, который впоследствии так и назвали – эффектом Мпембы.

 

С тех пор было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот парадокс по отдельности или вместе. Во-первых, горячая вода быстрее испаряется, тем самым уменьшая свой объем и ускоряя замерзание. Во-вторых, на холодной воде может быстро образовываться тонкий замерзший слой, который изолирует ее и снижает скорость охлаждения остального объема. В-третьих, роль такого изолятора (в случае с мороженым) может играть слой изморози на стенках морозильной камеры. Горячая вода растапливает его, чем обеспечивается лучший контакт с холодными стенками и более быстрое охлаждение. Наконец, свою роль могут играть растворенные в воде вещества. В горячей воде растворение идет лучше, и при охлаждении в ней появляется больше центров кристаллизации, облегчающих замерзание.

 

Впрочем, что же именно происходит, до сих пор не было известно. Работу Мпембы подхватили физики сингапурского Наньянского технологического университета во главе с Си Чзаном (Xi Zhang). Им, наконец, удалось объяснить парадокс, связав его со свойствами самой воды.

 

Вспомним, что молекула воды состоит из атома кислорода, который с помощью ковалентной связи удерживает два атома водорода. Кислород частично оттягивает на себя электроны от водородов, так что молекула представляет собой слабый «магнит». В результате отдельные молекулы воды в жидкости слабо притягиваются друг к другу, связываясь водородной связью – прочность ее примерно в 18 раз ниже, чем у ковалентной связи.

 

По мнению сингапурских ученых, дело именно в водородных связях. Чем плотнее друг к другу находятся молекулы воды, тем сильнее их межмолекулярные взаимодействия деформируют ковалентные связи внутри самих молекул. А вот если воду нагреть, расстояние между связанными молекулами слегка увеличивается. Это приводит к тому, что ковалентные связи внутри молекул релаксируют, отдавая лишнюю энергию и тем самым переходя на более низкий энергетический уровень. В результате горячая вода уже сделала свой первый шаг к ускоренному охлаждению. Во всяком случае, теоретические расчеты, проведенные командой Си Чзана, подтверждают эту версию.

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

8 часов назад
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

7 часов назад
Василий Парфенов

Компания Microsoft несколько лет назад намеревалась не изменять номер своей основной операционной системы для компьютеров — «десятка» должна была остаться с нами надолго. Однако очередное крупное обновление, по мнению маркетологов, очевидно, оказалось достойно новой цифры в названии ОС. Windows 11 принесет пользователям не только новые функции, улучшения безопасности и быстродействия, а также измененный дизайн, но и лишится некоторых привычных элементов. Хотя если кто-то и расстроится из-за этого, то скучать будет лишь по парочке из них.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: