Почему горячая вода замерзает быстрее?

Если поместить горячую воду в морозильную камеру, можно наблюдать эффект ее ускоренного замерзания. Это явление ранее упоминалось Аристотелем, Френсисом Беконом и Рене Декартом.

Из двух емкостей с холодной и горячей водой в морозильной камере, быстрее замерзнет горячая вода. Подтверждением этому факту является, например, то, что на сильном морозе открытые трубы с горячей водой замерзают быстрее, чем холодные. Разберемся с вопросом, почему кипяток замерзает быстрее и что говорят на этот счет ученые.

Эксперимент в домашних условиях

1. Возьмите литр воды и две отдельные формочки для льда.
2. Примерно половину воды вылейте в чайник и вскипятите.
3. Залейте холодную и нагретую воду в формочки и поставьте их в морозильную камеру.
4. Подождите час и вы увидите, что горячая вода замерзает быстрее чем холодная.

Парадокс Мпембы

В 1963 году африканский школьник заметил, что горячая смесь мороженного в морозильной камере застывает быстрее, чем холодная. Он не получил ответа на этот вопрос от школьного учителя физики, но смог задать его профессору физики Деннису Осборну. Эксперимент проведенный с водой доказал наличие эффекта. В данном случае две пробы воды объемом 70 мл с температурой 25 и 90 ^оС помещались в одинаковых стаканчиках в морозильную камеру бытового холодильника на пенопластовых листах.

Далее Осборн и Мпемба провели ряд экспериментов, результаты которых были опубликованы в 1969 году журнале Physics Education.

Главные тезисы статьи приведем ниже.

Поскольку охлаждение начинается преимущественно с верхней поверхности жидкости, то скорость охлаждения зависит от температуры именно этой поверхности, а не от средней температуры жидкости, а процессы конвекции поддерживают эту температуру. За счет этого скорость потери тепла для системы с более высокой изначальной температурой тоже будет выше, чем для изначально более охлажденной системы. Это утверждение является спорным, поскольку перед замерзанием вода должна пройти промежуточные температуры, но с учетом влияния температурного градиента, авторы допускали, что можно упустить это утверждение. После этого явление стало активно обсуждаться исследователями и обрело название “эффект Мпембы”.

На рисунке изображена зависимость скорости замерзания от исходной температуры воды.

Объяснения эффекта Мпембы

Ответ на вопрос о том, почему горячая вода быстрее замерзает, люди искали полстолетия. Было опубликовано сотни научных работ по этому поводу, но только через 54 года был получен окончательный ответ.

В 2013 году Королевское химическое сообщество Великобритании пообещало выдать премию в 1000 фунтов тому, кто объяснит эффект Мпембы. Лучшим ответом было эссе Никола Бреговича из Университета Загреба в Хорватии. Он просуммировал основные исследуемые ранее теории и описал их.

В 2016 году группа ученых опубликовала материалы исследований, которые отрицали наличие данного парадокса. Обьяснение самого эффекта основывалось на погрешности исследований.

Казалось бы научный мир должен успокоиться, но не тут то было, и в 2017 году совместное исследование группы ученых из Китая и США объясняет явление водородными связями в кластерной структуре воды.

Основные теории

Испарение воды

Часть ученых объясняли, что нагретая вода быстрее испаряется и, соответственно, либо замерзает в воздухе и образует ледяную корку, либо просто удаляется из системы. Стоит отметить, что во всех экспериментах, где взвешивалась масса воды до и после заморозки, максимальная потеря массы достигала не более 3%. Такое несущественное изменение массы, очевидно, не может вызвать значительное ускорение замораживания. Еще одна сложность данного эксперимента лежала в том, что доказать данный момент практически невозможно, поскольку при герметизации емкости с замораживаемой водой изменится не только испарение, а и движение тепловых потоков.

Растворенные газы

Растворимость газов в воде падает с повышением ее температуры. Исходя из этого часть исследователей допускали, что быстрое замерзание воды связано с этим фактом. Проведенные Томасом исследования показали, что разница в температурах замерзания слабо отклоняется от ноля, а Ауэрбах доказал, что концентрация газов в воде не влияет на переохлаждение воды.

Конвекция, усиленная градиентом тепла

Давайте разберемся с тем, что такое конвекция и градиент тепла. Когда емкость с водой помещается в морозильную камеру, то жидкость на поверхности и возле стенок емкости быстрее контактирует с холодной окружающей средой и охлаждается. В это же время внутри образца температура сохраняется, вследствие чего внутри емкости появляется разность температур или температурный градиент. Он вызывает перенос тепла, причем чем сильнее градиент, тем лучше конвекция. Соответственно, чем выше эта разность температур, тем активнее будет происходить теплообмен, а собственно и охлаждение.

Водородные связи

В 2017 году был получен окончательный ответ на вопрос о том, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная - причиной являются свойства водородных связей. Ключевой аргумент исследователей заключается в том, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры, а существование небольших крепко связанных кластеров, в свою очередь, способствует образованию правильного гексагонального льда при быстром охлаждении теплой воды. Помимо этого, был доказан обратный эффект быстрого нагревания переохлажденной воды.

Как и почему формируется лед, и как располагаются молекулы воды в его структуре, мы уже писали ранее.

Ресурсы:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water?. ACS Publications. Collection. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735

2. N. Bregović, Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist. http://www.rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf  2012.

3. Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li, and Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.