Чому гаряча вода замерзає швидше?

Якщо помістити гарячу воду в морозильну камеру, можна спостерігати ефект її прискореного замерзання. Це явище раніше згадувалося Арістотелем, Френсісом Беконом і Рене Декартом.

Помістивши дві ємності з гарячою і холодною водою в морозильну камеру, можна побачити, що гаряча вода замерзне швидше. Підтвердженнями цього факту є, наприклад, те, що на сильному морозі відкриті труби з гарячою водою замерзають швидше, ніж холодні.

Експеримент в домашніх умовах

1. Візьміть літр води та дві окремі формочки для льоду.
2. Приблизно половину води вилийте в чайник і закип'ятіть.
3. Заповніть холодну та нагріту воду в формочки та поставте їх в морозильну камеру.
4. Зачекайте годину та ви побачите, яка вода швидше перетворюється в лід.

Парадокс Мпемби

У 1963 році африканський школяр помітив, що гаряча суміш морозива в морозильній камері застигає швидше, ніж холодна. Він не отримав відповіді на це питання від шкільного вчителя фізики, але зміг поставити його професору фізики Деннісу Осборну. Експеримент проведений з водою підтвердив наявність ефекту. В даному випадку дві проби води об'ємом 70 мл з температурою 25 й 90^оС поміщалися в однакових стаканчиках в морозильну камеру побутового холодильника на шматках пінопласту.

Далі Осборн і Мпемба провели ряд експериментів, результати яких були опубліковані в 1969 році журналом Physics Education.

Головні тези статті наведемо нижче.

Оскільки охолодження починається переважно з верхньої поверхні рідини, то швидкість охолодження залежить від температури саме цієї поверхні, а не від середньої температури рідини, а процеси конвекції підтримують цю температуру. Внаслідок цього швидкість втрати тепла для системи з вищою початковою температурою теж буде вищою, ніж для більш охолодженої системи. Твердження є суперечливим, оскільки перед замерзанням вода повинна пройти проміжні температури, але з урахуванням впливу температурного градієнта, автори допускали, що можна упустити це твердження. Після цього явище стало активно обговорюватися дослідниками та отримало назву "ефект Мпемби".

На малюнку зображена залежність швидкості замерзання від вихідної температури води.

Пояснення ефекту Мпемби

Відповідь на питання про те, чому гаряча вода швидше замерзає, люди шукали півсторіччя. Було опубліковано сотні наукових робіт з цього приводу, але тільки через 54 роки було отримано остаточну відповідь.

У 2013 році Королівське хімічне товариство Великобританії пообіцяло видати премію в 1000 фунтів тому, хто пояснить ефект Мпемби. Кращою відповіддю було есе Нікола Бреговича з Університету Загреба в Хорватії. Він підсумував основні досліджувані раніше теорії та описав їх.

У 2016 році група вчених опублікувала матеріали досліджень, які заперечували наявність даного феномена. Пояснення самого ефекту грунтувалося на похибці досліджень.

Здавалося б науковий світ повинен заспокоїтися, але не тут то було, і в 2017 році спільне дослідження групи вчених з Китаю та США пояснює явище водневими зв'язками в кластерній структурі води.

Основні теорії

Випаровування води

Частина вчених пояснювали, що нагріта вода швидше випаровується та, відповідно, або замерзає в повітрі та утворює крижану кірку, або просто видаляється з системи. Варто відзначити, що у всіх експериментах, де зважувалася маса води до та після заморозки, максимальна втрата маси сягала не більше 3%. Така несуттєва зміна маси, очевидно, не може викликати значне прискорення заморожування. Ще одна складність даного експерименту лежала в тому, що довести даний момент практично неможливо, оскільки при герметизації ємності з заморожуваною водою зміниться не лише випаровування, а і рух теплових потоків.

Розчинені гази

Розчинність газів у воді падає з підвищенням її температури. Виходячи з цього, частина дослідників допускали, що швидке замерзання води пов'язане з цим фактом. Проведені Томасом дослідження показали, що різниця в температурах замерзання слабо відхиляється від нуля, а Ауербах довів, що концентрація газів у воді не впливає на переохолодження води.

Конверсія посилена градієнтом тепла

Розберемося з тим, що таке конвекція та градієнт тепла. Коли ємність з водою поміщається в морозильну камеру, то рідина на поверхні та біля стінок ємності швидше контактує з холодним навколишнім середовищем і охолоджується. Водночас всередині зразка температура зберігається, внаслідок чого в ємності з'являється різниця температур або температурний градієнт. Він викликає перенесення тепла, причому чим сильніший градієнт, тим краща конвекція. Відповідно, чим вища ця різниця температур, тим активніше буде відбуватися теплообмін, а власне й охолодження.

Водневі зв'язки

У 2017 році було отримано остаточну відповідь на питання про те, чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Причиною є властивості водневих зв'язків. Ключовий аргумент дослідників полягає в тому, що кількість сильних водневих зв'язків збільшується з підвищенням температури, а існування невеликих міцно пов'язаних кластерів, в свою чергу, сприяє утворенню правильного гексагонального льоду при швидкому охолодженні теплої води. Крім цього, доведений зворотний ефект швидкого нагрівання переохолодженої води.

Про формування льоду та розташування молекули води в його структурі, ми вже писали раніше.

Ресурси:

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.