Парадокс Мпембы, или почему кипяток замерзает быстрее холодной воды
Если спросить у простого человека, что замерзнет первым кипяток или вода комнатной температуры, то большинство из них уверенно выберут последний вариант и будут неправы.
Почему же так происходит? Может ли замерзнуть кипящая вода? В чем причина парадоксального явления и как его объясняют ученые?
Может ли замерзнуть?
Ответ простой – да, может. Более того, кипящая вода замерзнет быстрее холодной.
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.
Почему?
Полностью объяснить и понять явление пока не получилось, но споров среди ученых по данной теме ведется достаточно.
Однако некоторые гипотезы все же имеют место:
Есть и другие версии, объясняющие парадоксальное явление. Одно из них было выдвинуто ученым из Вашингтона Д.Катцем. По его мнению, в процессе кипячения вода из «жесткой» превращается в «мягкую».
Часть веществ, такие как магний и бикарбонат кальция, при нагревании оседают и не мешают кристаллизации. Поэтому процесс замерзания кипятка идет в разы быстрее обычной.
Как применяется этот парадокс в реальной жизни?
Эффект с успехом реализуется людьми в повседневной жизни и в быту. Например, каток заливают именно горячей, а не холодной водой для ускорения замерзания поверхности. По такому же принципу готовятся зимние горки.
Используется непонятное явление и в промышленном производстве. Благодаря ему сокращено время заморозки некоторых продуктов и материалов, в составе которых присутствует вода.
Видео по теме статьи
Почему кипяток замерзает быстрее холодной воды, подскажет видео:
Заключение
Эффект Мпемба интересен, поэтому его продолжают изучать. Исследования ведутся сразу в нескольких направлениях. Ученые обязательно выяснят причину необъяснимого парадокса и позволят людям расширить возможности его использования.
Кипяток на морозе. Развлечения на утро
4. Если вы хотите чистый пар, берите небольшую емкость (кружку), для взрывного эффекта нужно вылить 700-1000 мл воды. Если взять больше воды, то есть большая вероятность, что часть воды испарится, а часть просто пойдет вниз в виде воды, но не пара.
5. Чем резче будут движения, чем эффектнее будет «взрыв». Собственно, чем больше у вас воды в руках, тем резче ее надо вытолкнуть.
6. ТБ никто не отменял. Выталкиваем воду в направлении от себя, но НЕ резко вверх, и отходим назад. Полно роликов, где люди выплескивали воду вверх, и весь кипяток падал на их же голову. Ну и смотрите, чтобы поблизости никого не было.
Еще пару лет оптимизации образования и люди не такому удивляться будут)
Очень холодная фотография
Мыльный пузырь и мороз
Ляляля!
Накрыло лавиной
небольшая история о том как нас накрыло лавиной при съемках репортажа об обстреле лавинных очагов
Каменный город
Каменный город (Чёртово Городище, Черепахи) — ландшафтный геоморфологический памятник природы регионального значения недалеко от посёлка Шумихинский Гремячинского района Пермского края площадью 30,0 га примерно в 180—200 километрах от Перми.
Согласно легенде Каменный город раньше был настоящим городом, отличавшимся красотой, но дочь короля была слепа и не могла видеть красоту этого города. Колдун предложил королю излечить дочь, и, после его согласия, излечил принцессу, но превратил все улицы, дома и жителей в камень.
Считается, что Каменный город образовался в русле реки, которая протекала в этом месте миллионы лет назад, пробив своим течением подобие улиц и арок, что послужило названием памятника. В народе называют Чертово Городище или Черепахи (из-за сходства с ними).
Представляет собой останцы выветривания песчаников. Каменный город расположен на вершине хребта Рудянский спой Уральских гор и разделен на Большой и Малый города. Скальный массив из мелкозернистого кварцевого песчаника нижнего карбона, с глубокими трещинами от 8 до 12 метров, шириной 1—8 метров.
Останцы также имеют свои имена, данные, в основном, за сходство с тем или иным животным, например Черепаха, Пернатый Страж, Тюлень, Крыса. Улицы, достигающие в длину 80 метров, также имеют названия, например Проспект, Площадь.
Информация взята с Википедии.
PS По собственному опыту скажу, что если собрались посетить данное место, то лучше это делать в будние дни и незадолго до рассвета. В противном случае там будет не протолкнуться и в кадры то и дело будут попадать туристы. К сожалению, они так и норовят оставить послания после себя на этих камнях в стиле «здесь был Вася», «С+А=Любовь», ну или например такое. )
Canon 550D / Sigma AF 17-70mm 1:2.8-4.5
Каменный город, Пермский край.
Пасмурное утро
Гора Полюдов Камень, Пермский край.
Canon 550D / Sigma AF 17-70mm 1:2.8-4.5
«Холодная зима»
Дымка на реке Москва
Омск, Соборная площадь
Успенский Кафедральный собор и вид на центр Омска
Снято в декабре 2019
Катание на санках выходит на новый уровень
Крутим пули об лёд
Итальянский велосипедист собирается проехать 3 тысячи км по Якутии
Итальянец Лоренцо Бароне проехал на велосипеде 64 тысячи километров, побывав в 43 странах мира. Ровно год назад он прилетел в Россию, застрял в Сибири из-за пандемии, женился на местной девушке и придумал себе новое испытание – покорить самую северную в мире дорогу: маршрут от Якутска до села Юрюнг-Хая.
В разговоре с РИА Новости 23-летний экстремал рассказал, что в январе прошлого года он прилетел в Магадан, чтобы на велосипеде добраться до Якутска. От необходимости ночевать в палатке при 50-градусном морозе его иногда избавляли жители в попутных селах, которые гостеприимно звали его на ночлег.
По его словам, по дороге он решил заглянуть на Байкал, причем из Якутска в Иркутск он доехал как дальнобойщик. Транспортом в этом путешествии ему послужила фура с рыбой.
Шесть дней пути он провел в кабине грузовика с двумя дальнобойщиками, с которыми познакомился буквально на парковке, а уже из Иркутска на велосипеде отправился на Байкал.
На озере Бароне встретился с Айгуль, с которой ранее познакомился в Instagram. Встреча молодых людей состоялась благодаря пандемии коронавируса: у девушки в Петербурге закрылся вуз, а для итальянца оказались закрыты границы.
С Айгуль они предприняли уже пеший поход в 120 километров вокруг Байкала, после чего уже вместе приехали на родину девушки – город Покровск неподалеку от Якутска. После лета в Якутии Бароне снова прилетел в Иркутск – забрать велосипед, который он «оставил у семьи, с которой познакомился в магазине». После этого его ждали еще 34 дня путешествия и 3 тысячи километров на велосипеде до Покровска.
В декабре Бароне решил предпринять очередное путешествие – на север от Якутска до поселка Юрюнг-Хая. Проехать 2,7 тысячи километров по трассе «Анабар» ему пока что мешают рекордные морозы нынешней зимы: при постоянных температурах за минус 50 у его велосипеда лопаются шины.
Сам же велосипед, по словам его владельца, представляет собой совершенно обычную стальную модель: разве что его пробег составляет уже 46-48 тысяч километров. Для езды в непостижимых для обычного итальянца условиях Бароне нанес на все движущиеся детали авиационную смазку.
Он сетует, что разница в 10 градусов по сравнению с прошлым годом не дает ему отправиться в путь. Сейчас ему нужно не столько улучшение погоды, сколько новые камеры, которые должны прилететь посылкой из Германии.
Пока же Бароне ждет, чтобы погода улучшилась «хотя бы до минус 45».
Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)
От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.
Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.
На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.
История вопроса
Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.
Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.
В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.
Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).
Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.
Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.
Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)
Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.
Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.
в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.
Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.
Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.
Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.
Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!
В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.
Почему новое объяснение лучше предыдущих?
Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).
Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.
Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.
Как бы то ни было, теория у них интересная.
P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).
Литература
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox
почему «опять объяснили»- а потому что уже было:
Шикарное зимнее зрелище, для которого нужен кипяток и сильный мороз — Парадокс Мпембы.
1 мин
Бушующие сейчас морозы в Северной Америке не всем по нраву, но есть в них всё же что-то позитивное, как, например, природная красота на замёрзшем Ниагарском водопаде или эффект Мпембы. О последнем мы и хотим рассказать в данной нашей статье.
Эффект Мпембы, или парадокс Мпембы, — парадокс, который гласит, что горячая вода может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.
Создать и продемонстрировать зрелищность этого эффекта отважился отец троих детей из Квебека, Канада, Дэвид Фрейхайт, который, вооружившись ведёрком с горячей водой, отправился на морозную улицу. Мужчина рассказывает: «Я потратил целый день на кипячение огромной ёмкости для омаров, бегание к озеру и выплескивание её в воздух, пытаясь получить идеальный эффект Мпембы. В конце концов я нашел немного красного красителя и при последней попытке на закате я достиг совершенства Мпембы».
Из удачно получившегося видео видно, как Фрейхайт при температуре минус 28 градусов выливает прямо над собой, выбрасывая как можно дальше, воду. При этом всё рассеянное из ведра практически за мгновение превращается в заледеневшие капли, создавая совершенно потрясающую картинку. Оцените сами всю зрелищность этого момента. И не забудьте поставить «Нравится» за те все усилия, которые проделал канадец, чтобы реализовать задуманное.
Источник
