Журнал Кванта

29 июня 2022 г.

Пока неизвестно, горячая или холодная вода замерзает быстрее.

Фрэнсис Чи / SPL / Science Source

Соавтор

29 июня 2022 г.

Это звучит как один из самых простых экспериментов: возьмите две чашки воды: одну горячую, другую холодную. Поместите оба в морозильную камеру и отметьте, какой из них заморозится первым. Здравый смысл подсказывает, что чем холоднее вода. Но такие светила, как Аристотель, Рене Декарт и сэр Фрэнсис Бэкон, отмечали, что горячая вода на самом деле может остывать быстрее. Аналогичным образом сантехники сообщают, что трубы с горячей водой лопаются при минусовой погоде, а холодные остаются целыми. Однако уже более полувека физики спорят о том, действительно ли происходит нечто подобное.

Современный термин, обозначающий, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, — это эффект Мпембы, названный в честь Эрасто Мпембы, танзанийского подростка, который вместе с физиком Денисом Осборном провел первые систематические научные исследования этого эффекта в 1960-х годах. Хотя им удалось наблюдать этот эффект, последующие эксперименты не смогли последовательно воспроизвести этот результат. На прецизионные эксперименты по исследованию замерзания могут влиять многие тонкие детали, и исследователям часто трудно определить, учли ли они все мешающие переменные.

За последние несколько лет, пока продолжаются споры о том, возникает ли эффект Мпембы в воде, это явление было обнаружено и в других веществах — кристаллических полимерах, льдоподобных твердых веществах, называемых клатратными гидратами, и манганитовых минералах, охлаждающихся в магнитном поле. Эти новые направления помогают исследователям заглянуть в сложную динамику систем, находящихся вне термодинамического равновесия. Группа физиков, моделирующих неравновесные системы, предсказала, что эффект Мпембы должен проявляться в самых разных материалах (наряду с его обратным эффектом, когда холодное вещество нагревается быстрее, чем теплое). Недавние эксперименты, похоже, подтверждают эти идеи.

Однако самое знакомое вещество — вода — оказывается самым скользким.

«Стакан воды, застрявший в морозилке, кажется простым», — сказал Джон Беххефер, физик из Университета Саймона Фрейзера в Канаде, чьи недавние эксперименты являются наиболее достоверными наблюдениями эффекта Мпембы на сегодняшний день. «Но на самом деле все не так просто, если начать об этом думать».

«Меня зовут Эрасто Б. Мпемба, и я собираюсь рассказать вам о своем открытии, которое произошло из-за неправильного использования холодильника». Так начинается статья 1969 года в журнале «Физическое образование», в которой Мпемба описал инцидент в средней школе Магамба в Танзании, когда он и его одноклассники готовили мороженое.

Получите журнал Quanta Magazine на свой почтовый ящик

Покойный Эрасто Мпемба инициировал десятилетия исследований того, замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная.

PA Images / Alamy Stock Photo

В студенческом холодильнике было мало места, и, спеша захватить последний доступный лоток для льда, Мпемба решил не ждать, пока его смесь из кипяченого молока и сахара остынет до комнатной температуры, как это сделали другие студенты. Через полтора часа его смесь превратилась в мороженое, тогда как у его более терпеливых одноклассников осталась густая жидкая жижа. Когда Мпемба спросил своего учителя физики, почему это произошло, ему ответили: «Вы запутались. Этого не может быть».

Позже Осборн пришел навестить школьный класс физики Мпембы. Он вспомнил, как подросток поднял руку и спросил: «Если вы возьмете два стакана с равными объемами воды, один с температурой 35°C, а другой с температурой 100°C, и поместите их в холодильник, тот, который начинался с температуры 100°C, замерзает первым. Почему?" Заинтригованный Осборн пригласил Мпембу в Университетский колледж в Дар-эс-Саламе, где они работали с техническим специалистом и обнаружили доказательства эффекта, носящего имя Мпембы. Тем не менее Осборн пришел к выводу, что тесты были грубыми и что потребуются более сложные эксперименты, чтобы выяснить, что может происходить.

На протяжении десятилетий ученые предлагали множество теоретических объяснений эффекта Мпембы. Вода — странное вещество, менее плотное в твердом состоянии, чем в жидком, и имеющее твердую и жидкую фазы, которые могут сосуществовать при одной и той же температуре. Некоторые предположили, что нагрев воды может разрушить рыхлую сеть слабых полярных водородных связей между молекулами воды в образце, увеличивая ее беспорядок, что затем снижает количество энергии, необходимое для охлаждения образца. Более приземленное объяснение состоит в том, что горячая вода испаряется быстрее, чем холодная, уменьшая ее объем и, следовательно, время, необходимое для замерзания. Холодная вода также может содержать больше растворенных газов, что снижает ее точку замерзания. Или, возможно, в игру вступают внешние факторы: слой инея в морозильной камере может действовать как изолятор, предотвращая утечку тепла из холодной чашки, тогда как горячая чашка растопит иней и остынет быстрее.