Многие интересуются, какая вода замерзает быстрее холодная или горячая, и почему происходит именно так? Чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть физические свойства воды и некоторые нюансы современных исследований, которые расширяют общеизвестную картину. Какая вода быстрее замерзает — вы узнаете в этой статье.
Как скорость замерзания зависит от температуры?
Скорость замерзания воды в значительной степени зависит от ее температуры. Издавна известна закономерность: чем холоднее вода, тем быстрее она замерзает, что связано с изменением молекулярного движения.
Влияние температуры на замерзание воды можно описать следующим образом:
1. В воде, нагретой до высоких температур, молекулы движутся быстро и на определенном расстоянии друг от друга. При снижении температуры движение молекул замедляется, а расстояния между ними становятся меньше, что в конечном итоге приводит к образованию кристаллической решетки — замерзанию.
2. В холодной воде молекулы движутся медленно, а следовательно кристаллическая решетка образуется быстрее, то есть вода скорее замерзает.
Какая вода быстрее замерзает: холодная или горячая
Несмотря на общеизвестную закономерность, вопрос о том, какая вода быстрее замерзает, остается открытым. Это происходит из-за так называемого эффекта Мпембы, который заключается в том, что при некоторых условиях, горячая вода быстрее замерзает из-за особенностей теплоотдачи.
Когда нагретая до высоких температур вода попадает в холод, тепло начинает передаваться в среду. Сама же вода, охлаждается и замерзает даже быстрее, чем холодная.
Почему теплая вода замерзает быстрее: парадокс Мпембы
В начале 60-х годов любознательный танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил интересную закономерность. Дело в том, что молочная смесь для мороженого, которую он ставил в морозильник, замерзала быстрее, если сначала была горячей, а не холодной. Школьный учитель физики не смог ответить на этот вопрос, но профессор Деннис Осборн заинтересовался им. Были проведены эксперименты с водой, которые подтвердили замеченный эффект. (В ходе эксперимента два одинаковых образца воды, но с разной температурой 25°С и 90°С помещались в морозилку на пенопластовых подставках).
Позже Мпемба с профессором провели целый ряд экспериментов, осветив результаты в журнале Physics Education в 1969 году.
Охлаждение жидкости начинается с ее поверхности, поэтому и скорость зависит от температуры верхней жидкости, а не средней. Вследствие конвекции, эта температура поддерживается и скорость охлаждения системы с начальной высокой температурой, оказывается выше, чем системы с меньшей.
Такое утверждение считается противоречивым, ведь перед замерзанием жидкость проходит промежуточные температуры, но учитывая температурный градиент, ученые считали, что на это можно не обращать внимание. После публикации результатов экспериментов в научной среде стало активно обсуждаться явление, которое назвали «эффектом Мпембы».
Объяснение эффекта Мпембы
Ответ на вопрос, почему кипяток замерзает быстрее, чем холодная вода, нашелся не сразу. Только через 54 года и после сотен опубликованных работ ученые пришли к окончательному мнению. В 2013 году за лучшее объяснение эффекта Мпембы английское Королевское химическое общество пообещало премию в тысячу фунтов. Ее получил хорватский ученый Никола Брегович, который описал и проанализировал все известные теории по этому вопросу.
Но на этом история парадокса Мпембы не заканчивается. В 2016 году появилась новая публикация, в которой группа ученых опровергла данный феномен, доказывая погрешность в исследованиях. А еще через год американские и китайские ученые предложили новое объяснение, связанное с кластерной структурой воды и особенностями водородных связей.
Основные научные теории
Объяснить, почему кипяток замерзает быстрее холодной воды, пытались многие ученые в течение долгих лет. По этому поводу выдвигаются следующие теории.
Испарение
Одна из первых теорий заключалась в том, что горячая вода быстрее испаряется, замерзая в воздухе и образуя лед на поверхности. Взвешивая воду до заморозки и после, ученые определили, что потеря веса не превышала 3%. Это достаточно небольшое изменение веса, которое не способно сильно ускорить замораживание.
К тому же проблема заключалась в сложности практического доказательства, ведь герметизация емкости с водой приводила к тому, что менялось не только испарение, но и движение тепловых потоков.
Растворенные газы
Когда температура воды повышается, растворимость газов в ней уменьшается. Некоторые исследователи видели причину быстрого замерзания воды именно в этом. Однако после многих исследований было доказано, что разница температур замерзания очень мала, а концентрация газов в жидкости не влияет на ее переохлаждение.
Конверсия и градиент тепла
Когда воду помещают в морозилку, жидкость с самого верха и у стенок сосуда первой начинает контактировать с окружающим холодом, благодаря чему быстро охлаждается. Внутри вода некоторое время сохраняет свою температуру, из-за чего в сосуде появляется температурная разница — температурный градиент. Именно через него происходит перенос тепла, и чем больше градиент, тем активнее конвекция. Таким образом, чем больше температурная разница, тем интенсивнее идет теплообмен, который приводит к охлаждению.
Водородные связи
2017 год считается остановкой размышлений, когда вопрос быстрого замерзания горячей воды был решен окончательно. Теперь ученые называют главной причиной: особенности водородных связей. Основная аргументация заключается в следующем: когда температура воды повышается, увеличивается численность сильных водородных связей, а небольшие прочно связанные между собой кластеры способствуют формированию правильных гексагональных кристалликов льда во время быстрого охлаждения воды. И наоборот, ученые также доказали, что переохлажденная вода быстрее нагревается, чем теплая.
Вывод
Эффект Мпембы свидетельствует, что свойства воды далеко не так очевидны и не так хорошо изучены, как казалось на первый взгляд. Ученые выдвигали множество теорий, чтобы объяснить этот парадокс, и сегодня наконец пришли к общему мнению. Но несмотря на это, вопрос остается открытым, поскольку вода хранит еще много невероятных тайн.
