Гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Ви, швидше за все, чули про це. Але чому? Ведь це нелогічно, гарячій воді спочатку потрібно остигнути, а вже потім замерзнути. Що це за парадокс, справжня велика загадка природи, або просто невірно проведений експеримент?
Гаряча вода замерзає швидше
Те, що гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна, писали ще в Давній Греції. Але зараз цей дивовижний ефект має назву ефект Мпемби, або парадокс Мпемби. Названий на честь африканського школяра, який у двадцятому столітті помітив цей ефект.
І не просто помітив, але ще й був достатньо упертим і настійливим, щоб не лише докучати шкільному вчителю фізики, але і звернутися до британського професора фізики та провести науковий експеримент, який підтвердив правоту школяра.
Суть експерименту. Дві однакові пробірки з однаковим обсягом води були поставлені в холодильник. Температура однієї була 25 градусів, а другої – 90 градусів за Цельсієм.
У результаті, вода у пробірці з холодною водою лід з’явився пізніше, ніж у пробірці з гарячою. Іншими словами, гаряча вода дійсно замерзла раніше.
Чому вода замерзає
Як відомо, вода замерзає при температурі 0 градусів за Цельсієм або 32 градуси за Фаренгейтом. Замерзає означає, що рідка вода перетворюється на лід.
Іншими словами, вода здійснює перехід від рідкого стану до твердого. Відбувається кристалізація.
Важливо зауважити, що льодом вода стає не завжди при нулі, іноді вона може замерзнути раніше, а іноді пізніше. Нуль градусів був обраний як точка відліку для чистої (або практично чистої) прісної води. Якщо у воді є домішки, правило з нулем вже не діє.
Наприклад, солона морська вода замерзає при температурі -1,8 градуса, у середньому. А дистильована (тобто очищена від домішок) вода може не замерзнути до температури -70 градусів за Цельсієм. Але це рекорд, а не нормальна поведінка води.
Якщо у воді будуть якісь домішки, вони можуть створити “центри кристалізації”, і лід утвориться раніше, ніж температура опуститься до нуля.
Чому гаряча вода замерзає швидше?
Є декілька пояснень парадоксу Мпепби. Але немає жодного загальноприйнятого. В іншому випадку цей ефект не був би парадоксом.
Суть парадоксу полягає в тому, що воді при температурі 25 градусів, щоб замерзнути, потрібно остигнути до нуля. А гарячій воді спочатку остигнути до 25 градусів, а вже потім до нуля. Як таке може бути?
Графік одного з експериментів. Гаряча вода перетнула вісь з температурою 0 градусів раніше
Варіант 0
Експеримент був поставлений некоректно. Була допущена помилка, яка вплинула на результати. Однак експеримент настільки простий, що будь-хто може його повторити і спростувати результати, але поки що цього не сталося. З іншого боку, постановка завдання не сформульована достатньо точно. Наприклад, незрозуміло, що вважати “замерзанням води”: утворення льоду або охолодження до нуля? І що вважати замерзанням, поява льоду на поверхні чи повне промерзання?
Варіант 1
Гаряча вода випаровується дуже швидко і таким чином втрачає енергію швидше, ніж холодна, і ще й зменшується в об’ємі. Хороше пояснення, але якщо в експерименті використовувати закриті ємності з водою, ситуація не зміниться, що означає, що випаровування не має значення.
Варіант 2
Під час нагрівання гаряча вода “втратила” більшість розчинених у ній газів, а отже, її фізичні властивості відрізняються від холодної, тому процес охолодження йде швидше.
Варіант 3
Холодна вода не замерзає, тобто не перетворюється на лід. Насправді відбувається переохолодження води, при якому її температура опускається нижче нуля, але кристалізація не відбувається.
В описі ефекту Мпемби йдеться саме про утворення льоду, а не про температуру як таку.
Варіант 4
У гарячої води водні зв’язки були ослаблені під час нагрівання. Молекули води спочатку займають такі позиції, з яких кристалізуватися простіше (менше затрати енергії).
Вони мовби вже знаходяться в таких геометричних позиціях (шестикутник) відносно один одного, з яких створити кристал дуже просто.
А у випадку з холодною водою ще потрібно витратити енергію на розрив цих водних зв’язків, а вже потім впорядкувати кристалічну решітку.
Це не весь список можливих пояснень парадоксу. У 2012 році Королівське фізичне товариство провело конкурс, на який було надіслано понад 22 тисячі статей з поясненням ефекту.
Проте поки що точно ніхто не знає, чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Деякі вчені навіть сумніваються, що ефект дійсно існує, і експеримент можна поставити правильно.
Проте кожен може перевірити, як взимку гаряча вода миттєво перетворюється в сніг, якщо її гостро вилити в морозну погоду. Гаряча вода на морозі замерзає швидше. Фото виходять красиві.