Эффект Мпембы. Теории.

[GreenField999]

Здравствуйте. Хочу взять для школьного доклада такую тему, как эффект Мпембы и его объяснение с помощью химии. Мне не нужна точная теория, но хотелось бы послушать ваши предположения. И желательно развернутые. 

Об эффекте, кто не знает:

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

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.

Теория химическая:

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Химическая теория 2:

Группа исследователей из Технологического Университета Наньянга (Сингапур) заявляют, что им удалось решить давнюю загадку о том, почему теплая вода замерзает быстрее, чем охлажденная. Как заявляют они в статье, причина такого необычного поведения воды заключается в строении сетки водородных связей, объединяющих молекулы воды.

Парадокс, который гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания, упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, который получил название эффекта или парадокса Мпембы, но не дала его объяснения. К настоящему моменту было высказано немало версий для объяснения эффекта Мпембы, однако однозначного ответа на вопрос, какие из факторов обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы, так и не было получено.

Исследователи из Сингапура уверяют, что смогли решить загадку, и, по их словам, энергия запасается в удлиненных водородных связях.


Водородные связи O:H-O в кристалле льда. 


Как известно каждому, молекула воды состоит из атома кислорода и двух связанных с ним ковалентными связями атомов водорода. Также практически общеизвестно, что между молекулами воды реализуются особые прочные межмолекулярные взаимодействия – водородные связи, однако помимо притяжения друг к другу за счет водородных связей молекулы воды также и отталкиваются друг от друга.

Исследователи из Сингапура заметили, что чем теплее вода, тем больше расстояние между ее молекулами, что объясняется увеличение роли сил отталкивания при подъеме температуры. По их словам, это приводит к растяжению водородных связей, а это растяжение означает то, что в водородных связях накапливается дополнительная энергия. Исследователи предполагают, что при охлаждении эта энергия высвобождается, позволяя молекулам сблизиться, а высвобождение энергии приводит к охлаждению системы.

В теплой воде содержится больше удлиненных водородных связей, таким образом она может накопить большее количество энергии, которая более интенсивно высвобождается при охлаждении до температуры замерзания, именно поэтому теплая вода замерзает быстрее холодной.

Как заявляют исследователи, на настоящий момент их предположения представляют собой всего лишь гипотезу – и им самим или другим придется найти способ доказательства этой теоретической модели или же предложить другую, более легкопроверяемую концепцию.

Так как я слабо понимаю в химии, то прошу вашей помощи в объяснении этого эффекта. Или может быть ваших догадок. Даже самых абсурдных. Буду крайне благодарен!)
 

[DX666]

Да примерзает горячий стакан к морозилке, приплавляется, и теплообмен лучше выходит.

[GreenField999]

А кто сказал, что он к ней примерзает?) 

[yatcheh]

Вопрос некорректно поставлен. Не "Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?", а "Почему в этих условиях горячая вода замерзает быстрее холодной?", после чего следует точное описание условий.

Разгадывание "'эффекта Мпембы" - типичный случай поиска скрытого параметра, и рассматривать надо строго конкретный случай его проявления.

Как некий "общий" эффект, связанный только со свойствами воды, он не существует! И псевдонаучные изыски на эту тему - из разряда "физики шутят".

Изменено 13 Апреля, 2015 в 19:49 пользователем yatcheh

[GreenField999]

Давайте проведем непосредственно опыт.) 

[pinkylee]

из личной практики - в детстве, заливая каток зимой перед домом предпочитали делать это горячей водой. считалось, что должно замерзать быстрее - но это было субъективно, а вот из обективного  -лед получался чище, не матовый от микропузырей, а прозрачный, гладкий и однородный, что в принципе объяснимо.

[NLVN]

Да примерзает горячий стакан к морозилке, приплавляется, и теплообмен лучше выходит.

Согласен. Кажется у Леенсона в каком-то номере ХиЖ было объяснение. Аристотеля он не приплетал, сомнительно мне, что он в dГ проводил опыты по замораживанию. А вот когда замораживали в советских морозильниках, когда по несколько см льда наморожено, то да, быстрее замерзал стакан с изначально горячей водой. Попробуйте в холодильнике No Frost провести этот опыт. 

Изменено 14 Апреля, 2015 в 19:51 пользователем NLVN