Горячая вода иногда застывает быстрее холодной — но почему?
Этот любопытный феномен озадачивал ученых веками, но сейчас появились свидетельства что данный эффект может быть вызван наличием примесей.
Феномен более быстрого замерзания горячей воды известен под названием «эффект Мпембы». Он назван так в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы. Физики придумывали всевозможные теории, объясняющие этот феномен, такие как: быстрое испарение уменьшает объем горячей воды; слой льда изолирует холодную воду; разные концентрации растворов. Но найти разгадку было очень тяжело, так как эффект непостоянен — холодная вода также может застыть быстрее.
Джеймс Браунридж (James Brownridge), который контролирует радиационную безопасность в государственном университете Нью-Йорка (State University of New York at Binghamton), считает что ключ к разгадке кроется в непостоянстве результатов. За последние 10 лет он провел сотни экспериментов на эффект Мпемба в свое свободное время, и получил свидетельства что эффект основан на изменчивом феномене переохлаждения.
«Вода редко застывает при 0°C,» рассказал Браунридж, — «Обычно вода переохлаждается, и начинает замерзать при более низкой температуре». Точка замерзания зависит от примесей в воде, которые оказывают влияние на формирование кристаллов льда. В воде могут содержаться различные примеси: частички пыли, растворенная соль или бактерии. В зависимости от вида примесей меняется температура замерзания. Примесь с самой высокой точкой замерзания определяет температуру замерзания воды.
Браунридж проводит опыт таким образом: две пробы воды одной и той же температуры — допустим вода из под крана 20°C — в закрытой посуде охлаждается в холодильнике. Одна проба замерзнет быстрее, предположительно из-за того что смесь примесей в ней имеет более высокую температуру замерзания.
Если разница примесей достаточно велика, то проявится эффект Мпембы. Браунридж выбрал образец с самой высокой температурой замерзания и нагрел его до 80oC, тогда как другие образцы были комнатной температуры. Затем он положил все образцы в холодильник. Горячая вода всегда застынет быстрее, если ее точка замерзания как минимум на 5oC больше, рассказал Браунридж.
Может показаться невероятным что смещение финишной черты всего на 5°C достаточно, чтобы образец с начальной температурой на 60°C выше застыл быстрее. Но чем больше температурная разница между объектом и окружающей средой (в данном случае холодильником) — тем быстрее объект охлаждается. Поэтому более горячий образец очень быстро остынет, достигнув своей точки замерзания, например в –2°C, быстрее чем более холодная вода достигнет точки замерзания в –7°C.
Почему никто не замечал этого раньше? Браунридж рассказал, что другие люди недостаточно контролировали условия проведения эксперимента чтобы можно было проверять один фактор за раз. Например, необходимо контролировать тип контейнера, положение образца в холодильнике и так далее.
Эта работа врядли положит конец спорам вокруг эффекта Мпембы. Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Миссури (Washington University in St Louis, Missouri), отнесся к теории Браунриджа со скептицизмом. Согласно теории Катца, нагревание повышает точку замерзания воды, выпаривая примеси, такие как диоксид углерода. Это значит что само по себе нагревание уже повышает шансы что вода замерзнет быстрее, в отличие от более непостоянных результатов Браунриджа. «Возможно он обнаружил эффект переохлаждения, который напоминает эффект Мпембы», — заявил Катц.
Вся Биология
