Багато хто цікавиться, яка вода замерзає швидше холодна чи гаряча, і чому відбувається саме так? Щоб відповісти на це питання, треба розглянути фізичні властивості води та деякі нюанси сучасних досліджень, які розширюють загальновідому картину. Яка вода швидше замерзає — ви дізнаєтесь у цій статті.
Як швидкість замерзання залежить від температури?
Швидкість замерзання води значною мірою залежить від її температури. Здавна відома закономірність: чим холодніша вода, тим швидше вона замерзає, що пов’язано зі зміною молекулярного руху.
Вплив температури на замерзання води можна описати наступним чином:
1. У воді, нагрітої до високих температур, молекули рухаються швидко і на певній відстані одна від одної. При зниженні температури рух молекул сповільнюється, а відстані між ними стають меншими, що зрештою призводить до утворення кристалічної решітки — замерзання.
2. У холодній воді молекули рухаються повільно, а отже кристалічна решітка утворюється швидше, тобто вода скоріше замерзає.
Яка вода швидше замерзає: холодна чи гаряча
Попри загальновідому закономірність, питання про те, яка вода швидше замерзає, залишається відкритим. Це відбувається через так званий ефект Мпемби, який полягає в тому, що за деяких умов, гаряча вода швидше замерзає через особливості тепловіддачі.
Коли нагріта до високих температур вода потрапляє в холод, її тепло починає передаватися в середовище. Сама ж вода, охолоджується і замерзає навіть швидше, ніж холодна.
Чому тепла вода замерзає швидше: парадокс Мпемби
На початку 60-х років допитливий танзанійський школяр Ерасто Мпемба помітив цікаву закономірність. Річ у тім, що молочна суміш для морозива, яку він ставив у морозильник, замерзала швидше, якщо спочатку була гарячою, а не холодною. Шкільний вчитель фізики не зміг відповісти на це питання, але професор Денніс Осборн зацікавився ним. Були проведені експерименти з водою, які підтвердили помічений ефект. (В ході експерименту два однакові зразки води, але з різною температурою 25°С та 90°С поміщалися в морозилку на пінопластових підставках.)
Пізніше Мпемба з професором провели цілий ряд експериментів, висвітливши результати в журналі Physics Education в 1969 році.
Охолодження рідини починається з її поверхні, тому й швидкість залежить від температури верхньої рідини, а не середньої. Внаслідок конвекції, ця температура підтримується і швидкість охолодження системи з початковою високою температурою, виявляється вищою, ніж системи з меншою.
Таке твердження вважається суперечливим, адже перед замерзанням рідина проходить проміжні температури, але враховуючи температурний градієнт, вчені вважали, що на це можна не звертати увагу. Після публікації результатів експериментів в науковому середовищі стало активно обговорюватися явище, яке назвали «ефектом Мпемби».
Пояснення ефекту Мпемби
Відповідь на питання, чому окріп замерзає швидше, ніж холодна вода, знайшлась не відразу. Тільки через 54 роки та після сотень опублікованих робіт вчені дійшли остаточної думки. У 2013 році за краще пояснення ефекту Мпемби англійське Королівське хімічне товариство пообіцяло премію в тисячу фунтів. Її отримав хорватський вчений Нікола Брегович, який описав та проаналізував всі відомі теорії з цього питання.
Але на цьому історія парадокса Мпемби не закінчується. У 2016 році з’явилась нова публікація, в якій група вчених спростувала даний феномен, доводячи похибку в дослідженнях. А ще через рік американські та китайські вчені запропонували нове пояснення, пов’язане з кластерною структурою води та особливостями водневих зв’язків.
Основні наукові теорії
Пояснити, чому окріп замерзає швидше за холодну воду, намагалось багато вчених протягом довгих років. З цього приводу висуваються наступні теорії.
Випаровування
Одна з перших теорій полягала в тому, що гаряча вода швидше випаровується, замерзаючи в повітрі та утворюючи кригу на поверхні. Зважуючи воду до заморозки та після, вчені визначили, що втрата ваги не перебільшувала 3%. Це досить невелика зміна ваги, яка не здатна сильно прискорити заморожування.
До того ж проблема полягала в складності практичного доведення, адже герметизація місткості з водою приводила до того, що змінювалось не лише випаровування, але й рух теплових потоків.
Розчинені гази
Коли температура води підвищується, розчинність газів у ній зменшується. Деякі дослідники вбачали причину швидкого замерзання води саме в цьому. Проте після багатьох досліджень було доведено, що різниця температур замерзання дуже мала, а концентрація газів у рідині не впливає на її переохолодження.
Конверсія та градієнт тепла
Коли воду поміщають у морозилку, рідина з самого верху та біля стінок посудини першою починає контактувати з навколишнім холодом, завдяки чому швидко охолоджується. Всередині вода деякий час зберігає свою температуру, через що в посудині з’являється температурна різниця — температурний градієнт. Саме через нього відбувається перенесення тепла, і чим більший градієнт, тим активніша конвекція. Таким чином, чим більшою є температурна різниця, тим інтенсивніше йде теплообмін, який призводить до охолодження.
Водневі зв’язки
2017 рік вважається зупинкою роздумів, коли питання швидкого замерзання гарячої води було вирішено остаточно. Тепер вчені називають головною причиною: особливості водневих зв'язків. Основна аргументація полягає в наступному: коли температура води підвищується, збільшується чисельність сильних водневих зв'язків, а невеличкі міцно пов’язані між собою кластери сприяють формуванню правильних гексагональних кристаликів льоду під час швидкого охолодження води. І навпаки, вчені також довели, що переохолоджена вода швидше нагрівається, ніж тепла.
Висновок
Ефект Мпемби свідчить про те, що властивості води далеко не такі очевидні та не так добре вивчені, як здавалось на перший погляд. Вчені висували безліч теорій, щоб пояснити цей парадокс, і на сьогодні врешті дійшли спільної думки. Але попри це, питання залишається відкритим, оскільки вода зберігає ще багато неймовірних таємниць.
