Парадокс Мпембы, или почему кипяток замерзает быстрее холодной воды

Анализ парадокса[править]

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35 °С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько вариантов такого объяснения:

• Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
• Наличие снеговой шубы в морозилке холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой шубы контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
• Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
• Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

В опытах Мпембы и Осборна учитывалось четвертое условие, а остальные, по-видимому, нет.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное вопроизведение эффекта Мпембы — так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. (При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли). Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

До автоматизма

Крытым каткам теплая погода не помеха: лед не тает благодаря специальной холодильной машине. Она дает температуру -12 градусов, а на поверхности льда температура составляет уже -6 градусов.

Во Дворце спорта «Юбилейный» с момента его открытия в 1986 году лед заливают машинами. Ледозаливочные машины называют также ледовыми комбайнами или ресурфейсерами.

Лед во Дворце спорта обновляют каждый час, фактически после каждой тренировки. И так ежедневно 10 месяцев в году. Первая заливка выполняется в 6:45, последняя – поздно ночью. Во время массовых катаний по субботам, которые длятся почти до 2:00, заливщики часто заканчивают смену в три часа ночи. Четыре бригады по два человека работают посменно, сутки через трое. Водитель спецмашины за рулем, а его напарник убирает и возвращает на место хоккейные ворота, открывает двери, собирает снег.

Владислав Смородинов и его напарник Игорь Козлов работают в «Юбилейном» уже 15 лет. Каждое движение у них отработано до автоматизма, и на одну заливку 1,8 тыс. кв. м уходит не больше 10-15 минут. На ледовую арену выливается около тонны воды. Белый, изрезанный коньками лед по следам машины превращается в гладкий, блестящий и прозрачный, как стекло.

– Во время массовых катаний, когда на каток выходят 300-400 человек, лед «убивается» быстро. Поэтому его сначала основательно чистят, срезают около тонны ледяного крошева, и только потом заливают. Если же лед не очень поврежден, машина делает все одновременно: срезает лед, собирает его и заливает тонким слоем кипятка. Горячая вода застывает быстрее, чем холодная, и не растекается. Кипяток заливается во все трещинки, расплавляет их, не оставляет разводов и потеков, – пояснил Владислав Смородинов.

Кажется, что все делает машина, но именно водитель регулирует, сколько льда срезать, не оставляя ямок и бугорков, как равномерно провести машину по ледяному полю.

– Основную работу выполняет ледовый комбайн. Но у бортов и у выхода на лед, там, где теплый воздух, нарастает кромка льда. Ее мы срезаем отдельно, маленькой машинкой, точно регулируя высоту среза. Иногда перед соревнованиями вырезаем на льду участок, в который вмораживаем рекламу. Обычно это очень срочная работа, которую нужно сделать к следующему утру, – сообщил Игорь Козлов.

Катков в Воронеже становится все больше, а опытных заливщиков не так много, поэтому некоторые работают сразу на нескольких катках.

В «Юбилейном» разметка ледовой арены нарисована на бетонной плите.

– Чтобы ее было хорошо видно, лед должен быть прозрачным и блестящим, тогда он и на телеэкране смотрится особенно эффектно. Поэтому воду для заливки льда предварительно фильтруют, удаляют все примеси, и она становится дистиллированной. На качество льда это не влияет, зато делает его более красивым, – заметил начальник технической службы Дворца спорта «Юбилейный» Вячеслав Коршунов.

Толщина льда на катке дворца спорта – 5 см. Чтобы ее замерить, заливщики регулярно просверливают лед в 20 местах, в разных частях катка. Если лед окажется тоньше нормы, то коньки могут прорезать его до бетона.

Состояния и виды воды

Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны трансформироваться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).

В зависимости от особенностей происхождения, назначения и состава вода может быть:

• пресной;
• минеральной;
• морской;
• питьевой (сюда же отнесём водопроводную воду);
• дождевой;
• талой;
• солоноватой;
• структурированной;
• дистиллированной;
• деионизированной.

Наличие изотопов водорода делает воду:

1. лёгкой;
2. тяжёлой (дейтериевой);
3. сверхтяжёлой (тритиевой).

Все мы знаем о том, что вода бывает мягкой и жёсткой: этот показатель определяется содержанием катионов магния и кальция.

Каждый из перечисленных нами видов и агрегатных состояний воды имеет свою температуру замерзания и плавления.

Какая вода быстрее замерзает горячая или холодная?

Именно с 1963 года Осборн, вместе с мальчиком, начали заниматься этим вопросом, в результате чего была опубликована статья, в журнале educacion. При этом точного ответа, почему же нагретая жидкость отвердевает быстрее холодной, не было получено. 

Какая вода быстрее замерзает горячая или холодная:

• По мнению некоторых ученых, теплый раствор в холодильнике с термостатом переходит в твердое состояние гораздо быстрее лишь по той причине, что холодильник начинает сильнее морозить, при поступлении сигнала о повышении температуры в камере.
• Этого не происходит с охлажденной жидкостью, так как ее температура гораздо ниже, и термостат работает в обычном режиме, без снижения температуры хладагента. Однако эта версия не получила подтверждение по той причине, что нагретая жидкость в обычных условиях на воздухе, также отвердевает гораздо быстрее, чем холодная.
• Соответственно термостата в обычных уличных условиях нет, поэтому и усиления холода не происходит.

Лед

Температура замерзания соленой воды

1. Замерзает ли соленая вода? Благодаря высокой концентрации солей океанская и морская вода замерзает при температуре -1,9 градуса по Цельсию.
2. Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная.
3. Как температура замерзания океанической воды зависит от ее солености? Между этими величинами существует самая прямая связь. Чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, а для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.
4. Средняя температура воды в морях и океанах -4 градуса.

Температура замерзания отдельных морей

При скольких градусах замерзает вода:

• Каспийского моря? Солёность каспийских вод составляет около 13 промилле. Их замерзание происходит при -0,5 градуса Цельсия. Толщина ледяного покрова северной части Каспия составляет около двух метров.
• Азовского моря? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по шкале Цельсия. Солёность составляет около 11 промилле. Толщина льдов, покрывающих море в период с декабря по март, равна одному метру.
• Японского моря? Почему соленая вода этого моря не замерзает? Это объясняется высоким (около 34 промилле) уровнем её солёности и географическим положением моря.
• Балтийского моря? При солёности, насчитывающей всего 6-8 промилле, температура замерзания морской воды в Балтике близка к нулю.

История наблюдений и исследований

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.

С тех пор явление называли эффектом Мпембы.

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000  научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

Речной или искусственный, быстрый или медленный

Владислав Смородинов со школьных лет катается на коньках, и хотя сам он считает, что заливщиком стал просто по случаю, наверняка на его выбор повлияло детское увлечение. Мальчишкой много катался и в «Юбилейном», и в «Динамо», и на водохранилище, да и теперь каждую субботу участвует в массовых катаниях – испытывает свой лед на практике. За годы работы Смородинов подготовил не меньше десяти учеников-ледоваров.

– Считается, что на речке менее гладкий лед, чем на крытом катке. Но если создались особые погодные условия – лед подтаял и оказался под слоем воды, а потом опять все застыло, – то получится идеальная поверхность. Ни один искусственный лед не сравнится с качественным речным по гладкости и плотности. Помню один год, когда снега на водохранилище не было, а когда ударил мороз, образовался лед, гладкий, как зеркало. Коньки обул, оттолкнулся – и мчишь по прямой, аж слезы из глаз. Катишься и видишь под собой дно. Ни с чем не сравнимое ощущение! – поделился Владислав Смородинов.

Он вспомнил, что еще один гладкий, естественного происхождения каток был в Отрожке и назывался «Коровья лужа»:

– Во время войны снаряд упал между речкой и лесом, осталась огромная воронка, которую по весне затапливало, а зимой она промерзала до земли. Ветра не было, поэтому лед получался очень гладким. Мы там в детстве каталась всю зиму, играли в хоккей.

Во многом качество льда зависит от температуры замерзания.

– Комментаторы часто употребляют выражения «быстрый» лед и «медленный» лед. «Быстрый» образуется при температуре -9 градусов и лучше всего подходит хоккеистам. Фигуристам больше подходит «медленный», замерзающий при -5,5 – 6 градусов. А конькобежцам на «быстром» льду могут даже не засчитать мировой рекорд, – сообщил Вячеслав Коршунов.

Помимо ледового комбайна, для заливки льда используют и другие приспособления. На катках поменьше используется трактор с прицепом. На дворовых часто используют просто шланг, вышеупомянутую швабру или волокушу – бочку с трубой и прикрепленным к ней полотном, которая работает по принципу той же швабры. Волокушей, например, заливают лед на катке «Винзавода», а трактором – каток «Хрустальный конек».

Температура замерзания дистиллированной воды

Замерзает ли дистиллированная вода? Напомним о том, что для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.

Дистиллированная вода, совершенно лишённая всяких примесей, не имеет и ядер кристаллизации, а поэтому её замерзание начинается при очень низких температурах. Начальная точка замерзания дистиллированной воды составляет -42 градуса. Учёным удалось добиться переохлаждения дистиллированной воды до -70 градусов.

Вода, подвергнутая воздействию очень низких температур, но при этом не кристаллизовавшаяся, называется «переохлаждённой». Можно, поместив бутылку с дистиллированной водой в морозильную камеру, добиться её переохлаждения, а затем продемонстрировать очень эффектный трюк — смотрите в видео:

Тихонько постучав по бутылке, извлечённой из холодильника, или бросив в неё небольшой кусочек льда, можно показать, как мгновенно она превращается в лед, имеющий вид удлинённых кристаллов.

Дистиллированная вода: замерзает или нет под давлением эта очищенная субстанция? Такой процесс возможен лишь в специально созданных лабораторных условиях.

Несколько ингредиентов успешного фото:

• Сильный мороз, чем сильнее, тем эффектней. (при минус 30 и ниже всё гарантированно получится)
• Термос с крутым кипятком (вода)
• можно взять дополнительные емкости – ковшики или кружки
• солнце
• морозоустойчивый и быстрореагирующий фотограф

!! Меры предосторожности и советы

• Убедитесь, что вы никому не повредите, в том числе и себе! Для этого оглянитесь – на расстоянии нескольких метров от вас никого не должно быть. Фотограф может и “приблизить” фото – безопасность превыше всего!
• Удостоверьтесь, что вода действительно замерзает в воздухе, РЕЗКО вылив по направлению “от себя” кружку кипятка.

• Эффектное фото можно сделать и не разбрызгивая кипяток над головой. Пожалуйста, думайте о себе.
• Нужно потренироваться, поскольку, если вылить воду так, что она будет как бы “единым целым”, то она не замёрзнет, а вы просто выльете кипяток на землю. Поэкспериментируйте – если выливать воду из термоса толстой струёй – она выльется, как и положено воде, а если резко тряхнуть вверх, порождая массу брызг, то желаемый эффект не заставит себя ждать.

Невероятно, но этот супер эффект впервые заметил 13-летний (!!) африканский школьник Эрасто Мпемба ещё в 1963 году. На уроках кулинарии его учили делать мороженое, нагревая молоко и сахар вместе на плите, а затем оставляя смесь остывать, прежде чем положить ее в морозильную камеру для застывания. Мпемба заметил нечто странное: когда он положил горячую смесь прямо в морозилку, она была готова быстрее, чем если бы ее оставили остывать.

Любознательный Мпемба провел аналогичный эксперимент, используя только воду. Он обнаружил, что, как и мороженое, контейнеры с кипятком, казалось, замерзали быстрее, чем холодная вода.

Учитель физики посмеялся над Эрасто, но на его счастье школу посещал физик Денис Осборн из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе. Осборн согласился помочь ему и провел аналогичные тесты в лабораторных условиях еще в университете. Он подтвердил первоначальные наблюдения Мпембы, и в 1969 году Осборн и Мпемба опубликовали совместную статью.

Парадокс Мпембы гласит: горячая вода может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания (то есть в морозилке стакан с горячей водой замёрзнет скорее). Это противоречит первому началу термодинамики, учёные до сих пор спорят существует ли этот парадокс… Вот такую загадку задал всему научному сообществу маленький африканский мальчик.

В 2019 году в пору суровых морозов в Сибири появился челлендж под хэштегом #дубакчеллендж . Все фото выше – его плоды. Американцам идея тоже понравилась, и они начали её активно копировать, но что-то пошло не так… Некоторые обожглись сами, некоторые обожгли других. Пополнив ожоговые отделения, они объявили челлендж опасным. Что сибиряку хорошо.. А сибирякам было хорошо! Более 4 000 фото по #дубакчеллендж могут многое об этом рассказать

Также читайте на канале

Экспресс-ответы

При скольких градусах замерзает вода:

1. В трубах отопления? В случае отключения отопления или поломки отопительного котла в частном доме или на даче замерзание воды в них может произойти примерно через пару дней при температуре -5 градусов. Отсрочить наступление такого исхода поможет теплоизоляция труб и остальных элементов здания. Внутри жилого помещения замерзание воды в трубах наступает уже при -1 градусе. Если такая температура продержится 2-3 дня, это может закончиться разрывом труб и отопительных батарей.
2. Под землей? Подземные воды могут быть жидкими, твёрдыми и парообразными. Твёрдой фазой воды в почве является лёд, который может быть как многолетним (в условиях вечной мерзлоты), так и сезонным. Замерзание почвенных вод происходит при температуре ниже нуля, поскольку все они представляют собой не чистую воду, а всевозможные её растворы. Величина температуры замерзания во многом зависит от минерализации грунтовых вод.
3. На лету? У жителей Якутии есть нехитрый способ определения температуры воздуха: она ниже -42 градусов, если выпущенный человеком плевок успевает замёрзнуть, не долетев до земли.
4. В вакууме? Содержимое пробирки, поставленной под колокол вакуумного насоса при температуре 0 градусов, сначала закипает, а после испарения восьмой части жидкости происходит образование ледяной корки на её поверхности.
5. В двигателе автомобиля? Максимальная температура замерзания воды в двигателе может достичь -5 градусов: при более низких значениях кристаллы льда попросту разорвут внутреннее устройство блока двигателя. Точно такой же является температура замерзания воды в радиаторе. Подобные проблемы в машине могут возникнуть при условии недостаточного утепления вышеперечисленных агрегатов, а также вследствие слишком продолжительной стоянки.
6. На катке? В зависимости от того, какие соревнования предполагается проводить на ледовой арене, температура поверхности льда может составлять от -3 до -5 градусов. Лёд с более высокой (от -3 до -4) температурой поверхности подходит для фигурного катания, поскольку именно его мягкость позволяет обеспечить необходимую силу сцепления с коньками.

   Более жёсткий лёд, подходящий для командной игры в хоккей, получается при температуре -5 градусов. На «холодном» льду возрастает скорость игроков и уменьшается возможность образования снежной «каши» на его поверхности. Качество льда в первую очередь зависит от химического состава воды, поэтому для его заливки используют не обычную жидкость из-под крана, а либо очищенную, либо обработанную специальными кондиционерами воду.

(11 votes, average: 4,55 out of 5)

Loading…

Справка РИА «Воронеж»

Согласно книге «Старый Воронеж» Павла Попова и Бориса Фирсова, первое упоминание о коньках в Воронеже относится к 1810-м годам. Горожане катались на льду реки, на катках в садах Общественного и Семейного собраний, а самый популярный каток заливался яхт-клубом в Городском саду. Пары скользили по льду под музыку духового оркестра, проводились соревнования по фигурному катанию и бегу. Иногда на каток выходило до 3 тыс. человек. Сезонный билет для взрослых стоил пять рублей, для учащихся – три. В 18:00 раздавался звонок, воспитатели отыскивали гимназистов и отправляли по домам. На катке оставались только взрослые, для которых по вечерам зажигались электрические фонари.

Многие мальчишки мчались в школу прямо на коньках по скользким улицам. В основном это были простые деревянные бруски, подбитые железом, но продавались и фабричные коньки, которые крепились к кожаной обуви с помощью винтов.

В начале ХХ века многие воронежцы всерьез занимались конькобежным спортом под руководством единственного тогда тренера-любителя Валериана Степанцова. Только у него в Воронеже был секундомер.

Страница мемуаров Митрофана Азарова и Валериана Лебедева «Эхо побед и рекордов»

Конькобежец Митрофан Азаров, который активно занимался спортом до 1910 года, в своих воспоминаниях описал зимнюю 400-метровую беговую дорожку. Она имела форму усеченного треугольника, стороны которого были разной длины, а также небольшие спуски и подъемы

Спортсменам приходилось учитывать, что набранную на одной дорожке скорость они потеряют на другой при подъеме, а неосторожного конькобежца могло при резком повороте вынести в сугроб

Горячая вода замерзает быстрее или нет?

Вообще об этом факте было известно очень давно, еще со времен Аристотеля, а также Декарта. Однако каких-то научных подтверждений не было. Только в 1963 году начались существенные работы, основная задача которых выяснить, почему так происходит.

Горячая вода замерзает быстрее или нет:

• Согласно физике, это противоречит первому закону термодинамики, согласно которому одна энергия перетекает в другую. По первому началу термодинамики нагретая жидкость, перед тем как отвердеть, должна пройти температуру охлаждения, соответственно и время отвердения должно быть гораздо больше.
• Однако на практике происходит иначе. Об этом задумался школьник, который задал своему учителю физики соответствующий вопрос. Мальчик готовил дома мороженое, и заметил, что стакан с теплой жидкостью замерз гораздо быстрее, нежели с прохладной, при одинаковом составе субстанции.
• Тогда учитель лишь посмеялся над парнем, сказав, что это противоречит первому закону термодинамики, поэтому невозможно. После визита в школу известного физика Осборна, мальчик задал ему тот же вопрос, чем заинтересовал ученого.

Лед

Последние исследования

Недавно исследователи из университета в Сингапуре предложили, возможно, наиболее правдоподобное объяснение эффекта Мпемба.

В новом исследовании утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение этого эффекта. Которое математически соответствует наблюдаемым данным. И возможно, это первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, прикрепленных к молекуле кислорода. В основном за счет прочных ковалентных связей. Обычно ковалентные связи размягчаются и удлиняются при нагревании. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей, взаимодействия между атомами водорода в одной молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле, происходит обратный эффект. Когда вода поглощает энергию, водородные связи будут растягиваться. Заставляя отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга. Но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче. То же самое, что происходит при замерзании воды.

Таким образом, на молекулярном уровне нагретая вода больше напоминает замороженную воду, чем исходная более холодная вода

Что еще более важно, скорость, с которой высвобождается энергия в этих сжатых ковалентных связях, экспоненциально зависит от того, сколько энергии было изначально сохранено. Фактически, горячая вода имеет энергию, подобную источнику, который высвобождается, когда вы начинаете охлаждать ее, позволяя ей быстрее остывать и замерзать

Будем благодарны за Вашу поддержку!

Что влияет на градус замерзания

Представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0°C – общеизвестно, что вода замерзает именно при этом градусе – и в эту среду мы помещаем кусочек льда и воду в жидком состоянии. Что произойдет? Собственно, ничего: вода не замерзнет, а лед не начнет таять. Объяснение в том, что в данной модели нет условий для фазового перехода.

Простыми словами: помимо снижения температуры до определенного градуса, на замерзание воды влияют и другие факторы. Один из них – атмосферное давление, которое создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. И температура замерзания воды находится в прямой зависимости от давления.

Наличие примесей

Также, кроме давления и температуры, на замерзание воды влияет ее состав: в ней в том или ином количестве находятся органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде снижается до необходимого градуса, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выполняют роль ядрового центра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замерзания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может охладиться до минусовой температуры, но не замерзнуть.

Итак, время замерзания воды зависит от таких факторов:

• атмосферное давление в окружающей среде;
• температура воздуха;
• количество жидкости;
• ее химический состав;
• в какой емкости находится H2 O (или отсутствие емкости).

Что быстрее: кипящая или холодная H2O?

Учеными проведено множество экспериментов и доказано, что первой кристаллизуется кипящая вода.

Если в морозилку одновременно поставить две емкости одинакового объема и формы с кипятком и простой водой, то первым превратится в лед именно кипяток.

Хотя, если следовать логике, он должен сначала остыть, а уже потом кристаллизоваться. Но это не так.

Стоит отметить, что подобный эффект наблюдался людьми давно. На это указывал в своих записях Аристотель, интересовался явлением Р.Декарт. Однако тщательно изучением данного вопроса в то время мало кто занимался, оно не особо интересовало ученых.

Основательному изучению темы дал старт любознательный танзанский школьник, который в быту обнаружил, что разогретая жидкость, будь то молоко или вода, кристаллизуется быстрее.

В 1969 году профессором Д.Осборном был проведен эксперимент, который доказал утверждения юноши. С того момента феномен получил имя своего «открывателя», и стал называться эффектом Мпембы.

Лёд в природе

Изучением природных льдов во всех разновидностях на поверхности Земли, атмосфере, гидросфере, литосфере занимается наука – Гляциология.

Рассмотрим подробнее основные виды льда:

Атмосферный

Образуется в атмосфере и на земной поверхности. Выпадает на Землю в виде осадков: снега, инея, града. Также может образовать ледяные облака и туман.

Ледниковый (глетчерный)

Образуется в результате накопления и его последующего преобразования в ледяную массу. Ледники занимают 11 процентов суши. Наибольшая часть ледников расположены в Антарктиде. Самый известный шельфовый ледник Его площадь превышает 500 тыс. км2, а толщина льда достигает 700 м.

Подземный

Находится в верхней части земной коры. Основная масса находится в Северном полушарии. По подсчетам ученых запасы достигают от 0,3 до 0,5 млн км3

Морской

Образуется в море, океане при замерзании воды. Различают следующие виды:

• Припай – прикрепленный к берегу или отмели ледяной покров. Его площадь может достигать от несколько метров до тысячи километров.
• Паковый (многолетний) – морской, толщиной не менее 3 метров.
• Плавучий (дрейфующий) – это айсберги, обломки льдин.

По форме айсберги бывают столообразные и пирамидальные. Часто достигают гигантских размеров. Площадь гигантов уменьшается прогрессивно по мере их продвижения в более низкие широты.