У 1963 році школяр з Танзанії на ім'я Ерасто Мпемба поставив своєму вчителю дурне питання – чому в його морозилці тепле морозиво замерзає швидше, ніж холодне?
Будучи учнем Магамбінської середньої школиу Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботуу кухарській справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво - закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за заданою технологією.
Він звернувся за роз'ясненнями до вчителя фізики, але той лише посміявся з учня, сказавши наступне: «Це не всесвітня фізика, а фізика Мпемби». Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою.
У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: «Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягамиводи так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі «Physics Education». З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.
Вам цікаво дізнатися, чому так відбувається? Буквально кілька років тому вченим вдалося пояснити це явище.
Ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) – парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча у своїй вона має пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими за одних і тих самих умов більш нагрітому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.
Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт. Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. У вчених немає єдиної версії, хоча є багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур. Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційним різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон був встановлений ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж таку ж кількість води з температурою 35°С.
З того часу висловлювалися різні версії, одна з яких звучала наступним чином: частина гарячої води спочатку просто випаровується, а потім, коли залишилася менша її кількість, вода застигає швидше. Ця версія, через свою простоту, стала найпопулярнішою, але вчених задовольняла не повністю.
Нині команда дослідників з Технологічного університетуНаньян у Сінгапурі (Nanyang Technological University) на чолі з хіміком Сі Чжаном (Xi Zhang) заявила, що їм вдалося вирішити вікову загадку про те, чому тепла вода застигає швидше, ніж холодна. Як з'ясували китайські фахівці, секрет у кількості енергії, запасеної у водневих зв'язках між молекулами води.
Як відомо, молекули води складаються з одного атома кисню та двох атомів водню, які утримуються разом ковалентними зв'язками, що на рівні частинок виглядає як обмін електронами. Інший відомий факт у тому, що атоми водню притягуються до атомів кисню із сусідніх молекул - у своїй утворюються водневі зв'язку.
У цей час молекули води загалом відштовхуються друг від друга. Вчені із Сінгапуру помітили: чим тепліша вода, тим більшою виявляється відстань між молекулами рідини через збільшення відштовхувальних сил. В результаті водневі зв'язки розтягуються, отже, запасають велику енергію. Ця енергія вивільняється при охолодженні води – молекули зближуються одна з одною. А віддача енергії, як відомо, означає охолодження.
Ось які припущення висуваються вченими:
Випаровування
Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи тим самим свій об'єм, а менший об'єм води з тією самою температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% власної маси при охолодженні до 0°С. Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, через випаровування знижується її температура.
Різниця температур
Через те, що різниця температур між гарячою водою та холодним повітрям більша – отже, теплообмін у цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.
Переохолодження
Коли вода охолоджується нижче 0°С вона завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою за температури нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С. Причина цього ефекту в тому, що для того, щоби почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід. Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду. Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку з холодною водою, яка не переохолоджується, відбувається таке: на її поверхні утворюється тонкий шар льоду, який діє як ізолятор між водою та холодним повітрям, і тим самим перешкоджає подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх. Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду. Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.
Конвекція
Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрата тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу. Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну густину при 4°С. Якщо охолодити воду до 4°С і помістити її в середу з нижчою температурою, поверхневий шар замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна, ніж вода при температурі 4°С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться за температури 4°С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше. У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодні шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури. Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4°С. Однак немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.
Розчинені у воді гази
Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища, і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.
Теплопровідність
Цей механізм може грати істотну роль, коли вода міститься в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер із гарячою водою протаює під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг. Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання – які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы – не було отримано. Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання. Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі. Стверджувати поки що можна лише одне – відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.
А ось як то кажуть, найімовірніша причина.
Як пишуть хіміки у своїй статті, яку можна знайти на сайті препринтів arXiv.org, у гарячій воді водневі зв'язки натягуються сильніше, ніж у холодній. Таким чином, виявляється, що у водневих зв'язках гарячої води зберігається більше енергії, а значить, її вивільняється при охолодженні до мінусових температур. З цієї причини застигання відбувається швидше.
На сьогоднішній день вчені розгадали цю загадку лише теоретично. Коли вони представлять переконливі докази своєї версії, то питання про те, чому гаряча вода застигає швидше за холодну, можна буде вважати закритим.
На те, яка вода швидше замерзає, гаряча чи холодна, впливає безліч факторів, але саме питання здається трохи дивним. Мається на увазі, і це відомо з фізики, що гарячій воді ще потрібен час для того, щоб охолонути до температури холодної води, що порівнюється, щоб перетворитися на лід. цей етап можна пропустити, відповідно, за часом вона виграє.
Але відповідь на питання про те, яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча – на вулиці у мороз, знає будь-який мешканець північних широт. По суті, по-науковому, виходить, що в будь-якому випадку холодна вода просто повинна стати швидше.
Так само подумав і вчитель фізики, до якого звернувся школяр Ерасто Мпемба у 1963 році з проханням пояснити, чому холодна суміш майбутнього морозива замерзає довше, ніж аналогічна, але гаряча.
"Це не всесвітня фізика, а якась фізика Мпемби"
Того разу вчитель тільки посміявся з цього, але Деніс Осборн, професор фізики, який свого часу заїхав до тієї ж школи, де навчався Ерасто, експериментально підтвердив наявність такого ефекту, хоч і пояснення тоді цього не знайшлося. 1969 року в популярному науковому журналі вийшла спільна стаття цих двох людей, які описали цей своєрідний ефект.
З тих пір, до речі, питання про те, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, має власну назву – ефект, або парадокс, Мпемби.
Питання виникало давно
Природно, що раніше такий феномен мав місце бути, і він був згаданий у роботах інших учених. Не тільки школяр цікавився цим питанням, а й свого часу про це думав Рене Декарт і навіть Арістотель.
Ось тільки підходи до вирішення цього феномена почали шукати тільки в кінці двадцятого століття.
Умови, щоб відбувся парадокс
Як і у випадку з морозивом, не просто звичайна вода замерзає у процесі експерименту. Повинні бути певні умови для того, щоб почати сперечатися, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Що впливає на перебіг цього процесу?
Зараз, у 21 столітті, висунуто кілька варіантів, які можуть пояснити цей парадокс. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що є більша, ніж у холоду, швидкість випаровування. Таким чином, зменшується її об'єм, а при зменшенні об'єму та час замерзання стає менше, ніж якщо взяти аналогічний початковий об'єм холодної води.
Давно розморожували морозилку
На те, яка вода замерзає швидше, і чому це відбувається, може вплинути снігова підкладка, яка може мати місце в холодильнику, що використовується для експерименту. Якщо взяти два контейнери, ідентичні за обсягом, але в одному з них буде гаряча вода, а в іншому – холодна, контейнер із гарячою водою розплавить під собою сніг, тим самим покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер із холодною водою такого зробити не може. Якщо ж такої підкладки зі снігом в холодильній камері немає, холодна вода повинна стати швидше.
Верх – унизу
Також явище того, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, пояснюється так. Наслідуючи певні закони, холодна вода замерзати починає з верхніх шарів, коли гаряча робить це навпаки - починає замерзати знизу вгору. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодний прошарок з льодом, що вже місцями утворився, погіршує собі таким чином процеси конвекції і теплового випромінювання, тим самим пояснюється, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і це чітко видно.
Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляху для тепловипромінювання немає, тому процес охолодження стає скрутним. Таких перешкод на своєму шляху абсолютно немає гарячої води. Яка замерзає швидше - холодна або гаряча, від чого залежить можливий результат, можна розширити відповідь тим, що будь-яка вода має певні речовини, розчинені у ній.
Домішки у складі води як фактор, що впливає на результат
Якщо не шахраювати і використовувати воду з однаковим складом, де концентрації певних речовин є ідентичними, то холодна вода повинна замерзнути швидше. Але якщо ж відбувається ситуація, коли розчинені хімічні елементив наявності тільки в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не має, тоді є можливість гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини у воді створюють центри кристалізації, і за малої кількості цих центрів перетворення води на тверде стані утруднено. Можливе навіть переохолодження води, у тому плані, що за мінусової температури вона перебуватиме в рідкому стані.
Але всі ці версії, мабуть, не до кінця влаштовували вчених і вони продовжували працювати над цим питанням. У 2013 році команда дослідників у Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку.
Група з китайських вчених стверджує, що секрет даного ефекту полягає в кількості енергії, що запасена між молекулами води в її зв'язках, які називаються водневими.
Розгадка від китайських вчених
Далі буде інформація, для розуміння якої необхідно мати деякі знання в хімії, щоб розібратися в тому, яка вода замерзає швидше - гаряча або холодна. Як відомо, складається з двох атомів Н (водню) і одного атома (кисню), що утримуються між собою ковалентними зв'язками.
Але також атоми водню однієї молекули притягуються і до сусідніх молекул, до їхньої кисневої складової. Саме такі зв'язки називаються водневими.
При цьому варто пам'ятати, що в той же час молекули води діють одна від одної. Вчені відзначили, що при нагріванні води між її молекулами збільшується відстань, і цьому сприяють якраз відштовхувальні сили. Виходить так, що, займаючи одну відстань між молекулами в холодному стані, можна сказати, розтягуються, і у них з'являється більший запас енергії. Саме цей запас енергії вивільняється, коли молекули води починають зближуватися один з одним, тобто відбувається охолодження. Виходить, що більший запас енергії в гарячій воді, і її більше вивільнення при охолодженні до мінусових температур відбувається швидше, ніж у холодній воді, у якої запас такої енергії менший. Тож яка вода замерзає швидше - холодна чи гаряча? На вулиці та в лабораторії має відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода має перетворюватися на лід швидше.
Але питання все ще відкрите
Існує лише теоретичне підтвердження цієї розгадки - все це написано красивими формулами і здається правдоподібним. Але коли дані експериментів, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, будуть поставлені в практичному сенсі, і їх результати будуть представлені, тоді і можна буде вважати питання парадоксу Мпемби закритим.
Властивості води не перестають дивувати вчених. Вода - досить проста речовина з хімічної точки зору, проте при цьому вона має ряд незвичайних властивостей, які не перестають дивувати вчених. Нижче запропоновано кілька фактів, про які мало хто знає.
1. Яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча?
Візьмемо дві ємності з водою: в одну наллємо гарячу, а в іншу холодну воду, і помістимо їх в морозильну камеру. Гаряча вода замерзне швидше за холодну, хоча за логікою речей, першою повинна була перетворитися на лід холодна вода: адже гарячій воді треба спочатку охолонути до температури холодної, а потім вже перетворюватися на лід, тоді як холодній воді остигати не треба. Чому так відбувається?
У 1963 році один танзанський студент на ім'я Ерасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), заморожуючи приготовлену суміш для морозива, помітив, що гаряча суміш застигає в морозильній камері швидше, ніж холодна. Коли юнак поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той лише посміявся з нього. На щастя, учень виявився наполегливим і переконав вчителя провести експеримент, який і підтвердив його відкриття: за певних умов гаряча вода справді замерзає швидше за холодну.
Тепер цей феномен гарячої води, що замерзає швидше за холодну, носить назву «ефект Мпемба». Щоправда, за довго до нього ця унікальна властивість води була відзначена Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом.
Вчені так і не розуміють природу цього явища, пояснюючи його або різницею в переохолодженні, випаровуванні, утворенні льоду, конвекції, або впливом розріджених газів на гарячу і холодну воду.
2. Вона здатна замерзати миттєво
Всі знають, що вода завжди перетворюється на лід при охолодженні до 0 °C … за винятком деяких випадків! Таким випадком, наприклад, є надохолодження, яке є властивістю дуже чистої води залишатися рідкою, навіть будучи охолодженою до температури нижче точки замерзання. Це явище стає можливим завдяки тому, що довкілляне містить центрів або ядер кристалізації, які могли б спровокувати утворення кристалів льоду. І тому вода залишається в рідкій формі, навіть охолодженою до температури нижче нуля градусів за Цельсієм.
Процес кристалізації може бути спровокований, наприклад, бульбашками газу, домішками (забрудненнями) нерівною поверхнею ємності. Без них вода залишатиметься у рідкому стані. Коли процес кристалізації запускається, можна спостерігати, як надохолоджена вода миттєво перетворюється на лід.
Зверніть увагу, що «наднагріта» вода також залишається рідкою, навіть будучи нагрітою до температури вище точки закипання.
3. 19 станів води
Не замислюючись, назвіть, скільки різних станів має вода? Якщо ви відповіли три: тверде, рідке, газоподібне, ви помилилися. Вчені виділяють як мінімум 5 різних станів води в рідкому вигляді та 14 станів у замерзлому вигляді.
Пам'ятаєте розмову про надохолоджену воду? Так ось, що б ви не робили, при температурі -38 ° C навіть найчистіша надохолоджена вода раптово перетвориться на лід. Що ж станеться за подальшого зниження температури? При -120 °C з водою починає відбуватися щось дивне: вона стає надв'язкою або тягучою, як патока, а при температурі нижче -135 °C вона перетворюється на "скляну" або "склоподібну" воду - тверда речовина, в якій відсутня кристалічна структури.
4. Вода дивує фізиків
На молекулярному рівні вода вражає ще більше. У 1995 році експеримент з розсіювання нейтронів, що проводився вченими, дав несподіваний результат: фізики виявили, що нейтрони, спрямовані на молекули води, «бачать» на 25% менше протонів водню, ніж очікувалося.
Виявилося, що на швидкості однієї аттосекунди (10 -18 секунд) має місце незвичайний квантовий ефект, та хімічна формулаводи замість H2O, стає H1.5O!
5. Пам'ять води
Альтернативна офіційній медицині гомеопатія стверджує, що розведений розчин лікарського препарату може мати лікувальний ефект на організм, навіть якщо коефіцієнт розведення настільки великий, що в розчині вже не залишилося нічого, крім молекул води. Прихильники гомеопатії пояснюють цей парадокс концепцією під назвою «пам'ять води», згідно з якою вода на молекулярному рівні має «пам'ять» про речовину, яка колись у ній розчинена і зберігає властивості розчину початкової концентрації після того, як у ньому не залишається жодної молекули інгредієнта.
Міжнародна група вчених на чолі з професором Медлін Еніс (Madeleine Ennis) з Королівського університету в Белфасті (Queen's University of Belfast), яка критикувала принципи гомеопатії, в 2002 році провела експеримент, щоб раз і назавжди спростувати цю концепцію. Результат виявився зворотним. Після цього вчені заявили, що їм вдалося довести реальність ефекту «пам'яті води». Проте, досліди, проведені під наглядом незалежних експертів, результатів не принесли. Суперечки про існування феномена «пам'яті води» продовжуються.
Вода має безліч інших незвичайних властивостей, про які ми не розповіли в цій статті. Наприклад, щільність води змінюється в залежності від температури (щільність льоду менша за щільність води)
вода має досить велику величину поверхневого натягу
в рідкому стані вода є складною і динамічно мінливою мережею з водних кластерів, і саме поведінка кластерів впливає на структуру води і т.д.
Про ці та багато інших несподіваних особливостей води можна прочитати у статті «Аномальні властивості води», автором якої є Мартін Чаплін, професор Лондонського університету.
Багатьма дослідниками висувалися і висуваються свої версії щодо того, чому гаряча вода замерзає швидше за холодну. Здавалося б, феномен – адже для того, щоб замерзнути, гарячій воді для початку потрібно охолонути. Проте факт залишається фактом і вчені пояснюють його по-різному.
На даний момент існують кілька версій, які пояснюють цей факт:
- Оскільки випаровування у гарячій воді відбувається швидше, її обсяг зменшується. А замерзання меншої кількості води тієї ж температури відбувається швидше.
- Морозильна камера холодильника має снігову прокладку. Контейнер, де міститься гаряча вода, розтоплює сніг під собою. При цьому покращується тепловий контакт із морозилкою.
- Замерзання холодної води, на відміну гарячої, починається зверху. У цьому конвекція і тепловипромінювання, отже, теплова спад погіршуються.
- У холодній воді є центри кристалізації – розчинені у ній речовини. При невеликому їх утриманні у воді заледеніння утруднене, хоча водночас можливе її переохолодження – коли за мінусової температури вона має рідкий стан.
Хоча заради справедливості можна сказати, що цей ефект спостерігається не завжди. Найчастіше замерзання холодної води відбувається швидше, ніж гарячої.
При якій температурі вода замерзає
Чому взагалі відбувається замерзання води? У її складі міститься певна кількість мінеральних чи органічних частинок. Це, наприклад, можуть бути дуже дрібні частинки піску, пилу чи глини. При зниженні температури повітря ці частинки є центрами, навколо яких утворюються крижані кристали.
Роль ядер кристалізації можуть виконувати бульбашки повітря і тріщини в ємності, де міститься вода. На швидкість процесу перетворення води на лід багато в чому впливає кількість таких центрів – якщо їх багато, рідина замерзає швидше. За звичайних умов, з нормальним атмосферним тиском, вода переходить у твердий станіз рідкого при температурі 0 градусів.
Суть ефекту Мпемби
Під ефектом Мпемби розуміють парадокс, суть якого в тому, що за певних обставин гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей феномен був помічений ще Аристотелем та Декартом. Проте лише 1963 року школяр із Танзанії Ерасто Мпемба визначив, що гаряче морозиво замерзає за короткий час, ніж холодне. Такий висновок він зробив, виконуючи завдання у кухарській справі.
Він повинен був розчинити в закипілому молоці цукор і, охолодивши його, помістити для замерзання в холодильник. Зважаючи на все, Мпемба особливої старанністю не відрізнявся і першу частину завдання почав виконувати із запізненням. Тому він не став чекати остигання молока, і визначив його в холодильник гарячим. Він дуже здивувався, коли воно замерзло ще швидше, ніж у його однокласників, які виконували роботу відповідно до заданої технології.
Цей факт дуже зацікавив юнака, і він розпочав експерименти із простою водою. У 1969 році журнал Physics Education опублікував результати досліджень Мпемби та професора Денніса Осборна з університету в Дар-Ес-Саламі. Описаному ефекту дали ім'я Мпемби. Проте сьогодні феномену немає чіткого пояснення. Усі вчені сходяться на думці, що основна роль належить у цьому відмінностям властивостей охолодженої та гарячої води, проте яким саме – невідомо.
Сінгапурська версія
Фізиків одного із сінгапурських університетів також зацікавило питання, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна? Команда дослідників під керівництвом Сі Чзана пояснила цей феномен саме властивостями води. Усім ще зі шкільної лави відомий склад води – атом кисню та два водневі атоми. Кисень певною мірою відтягує від водню електрони, тому молекула є певного роду «магніт».
Через війну певні молекули у питній воді трохи притягуються між собою об'єднуються зв'язком водню. Її міцність у багато разів нижча за ковалентний зв'язок. Сінгапурські дослідники вважають, що пояснення феномена Мпемби якраз у водневих зв'язках. Якщо молекули води розміщені між собою дуже щільно, така сильна взаємодія між молекулами здатна деформувати ковалентний зв'язок у середині самої молекули.
А ось при нагріванні води пов'язані молекули злегка віддаляються одна від одної. В результаті в середині молекул відбувається релаксація. ковалентних зв'язківз віддачею зайвої енергії та переходом на нижчий енергетичний рівень. Це призводить до того, що гаряча вода починає пришвидшено охолоджуватися. Принаймні так показують теоретичні розрахунки, які провели сінгапурські вчені
Моментальне заморожування води – 5 неймовірних трюків: Відео
Британське Королівське хімічне товариство пропонує нагороду в 1 тисячу фунтів стерлінгів тому, хто зможе пояснити наукової точкиУ деяких випадках гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна.
«Сучасна наука все ще не може відповісти на це просте на перший погляд питання. Виробники морозива та бармени використовують цей ефект у своїй повсякденній роботі, але ніхто насправді не знає, чому це працює. Ця проблема відома вже тисячоліття, такі філософи, як Арістотель та Декарт розмірковували про неї», - сказав президент Британського Королівського хімічного товариства, професор Девід Філіпс, слова якого наводяться у прес-релізі Товариства.
Як кухар з Африки переміг британського професора фізики
Це не першоквітневий жарт, а сувора фізична реальність. Нинішня наука, що з легкістю оперує галактиками та чорними дірками, що будує гігантські прискорювачі для пошуку кварків та бозонів, не може пояснити, як «працює» елементарна вода. Шкільний підручник однозначно стверджує, що для охолодження більш нагрітого тіла потрібно більше часу, ніж для охолодження холодного тіла. А ось для води цей закон дотримується не завжди. На цей феномен звертав увагу ще Аристотель у 4 столітті до н. е. Ось що писав древній грек у книзі «Meteorologica I»: «Той факт, що вода попередньо нагрівається, сприяє її замерзанню. Тому багато людей, коли вони хочуть швидше охолодити гарячу воду, спочатку ставлять її на сонце...» У середні віки цей феномен намагалися пояснити Френсіс Бекон та Рене Декарт. На жаль, це не вдалося ні великим філософам, ні численним вченим, які розвивали класичну теплофізику, а тому про такий незручний факт надовго «забули».
І лише 1968 року «згадали» завдяки школяру Ерасто Мпембе з далекої від будь-якої науки Танзанії. Навчаючись у школі кухарського мистецтва, в 1963 році 13-річний Мпембе отримав завдання зробити морозиво. За технологією треба було закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба ні старанним учнем і забарився. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за всіма правилами.
Коли Мпемба поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той підняв його на сміх перед усім класом. Мпемба запам'ятав образу. Через п'ять років, будучи студентом університету в Дар-ес-Саламі, він опинився на лекції відомого фізика Дениса Г. Осборна. Після лекції він запитав вченого: «Якщо ви візьмете два однакових контейнери з рівною кількістю води, один з температурою 35 °C (95 °F), а інший - 100 °C (212 °F), і помістіть їх у морозильник, то вода у гарячому контейнері замерзне швидше. Чому? Можете уявити реакцію британського професора на питання юнака із забутої Богом Танзанії. Він висміяв студента. Однак Мпемба був готовий до такої відповіді та викликав вченого на заклад. Їхня суперечка завершилася експериментальною перевіркою, що підтвердила правоту Мпемби та поразку Осборна. Так учень-поварянок вписав своє ім'я в історію науки, і відтепер цей феномен зветься «ефекту Мпемби». Відкинути його, оголосити як би «неіснуючим» не виходить. Явище існує, і, як писав поет, «ні в зуб ногою».
Винні порошинки та розчинені речовини?
За минулі роки багато хто намагався розгадати таємницю замерзаючої води. Було запропоновано цілий букет пояснень цього явища: випаровування, конвекція, вплив розчинених речовин - але жоден із цих факторів не можна визнати остаточним. Низка вчених присвятила ефекту Мпемба все життя. Співробітник кафедри радіаційної безпеки Державного університетуНью-Йорка - Джеймс Браунрідж (James Brownridge) - у вільний час займається вивченням феномена ось уже протягом десятиліття. Провівши сотні експериментів, учений стверджує, що має докази "вини" переохолодження. Браунрідж пояснює, що при 0 ° С вода лише переохолоджується, а замерзати починає, коли температура опускається нижче. Точка замерзання регулюється домішками, що знаходяться у воді - саме вони змінюють швидкість формування кристаликів льоду. Домішки, а це порошинки, бактерії та розчинені солі, мають характерну для них температуру нуклеації, коли навколо центрів кристалізації формуються кристалики льоду. Коли у воді знаходяться відразу кілька елементів, температура замерзання визначається тим, який має найвищу температуру нуклеації.
Для досвіду Браунрідж взяв дві проби води однакової температури та помістив їх у морозильну камеру. Він виявив, що один з екземплярів завжди замерзає раніше, ніж інший – імовірно, через різне поєднання домішок.
Браунрідж стверджує, що гаряча вода остигає швидше через більшу різницю між температурами води та морозильної камери – це допомагає їй досягти своєї точки замерзання перш, ніж холодна вода досягне своєї природної точки замерзання, яка нижча принаймні на 5°С.
Втім, міркування Браунріджа викликають багато запитань. Тому ті, хто зуміє по-своєму пояснити ефект Мпемби, мають шанс поборотися за тисячу фунтів стерлінгів від Британського королівського хімічного товариства.
