Эффект Мпембы
 | В статье не хватает ссылок на источники (см. также рекомендации по поиску). |
Эффе́кт Мпе́мбы, или парадо́кс Мпе́мбы — предполагаемый эффект, состоящий в том, что горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная. При этом горячая вода должна пройти температуру холодной в процессе замерзания, так что при прочих равных условиях остывание горячей воды должно занимать больше времени.
История открытия
То, что горячая вода остывает быстрее, упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. Например, ещё у Аристотеля встречается описание зимней рыбалки: рыбаки вставляли удочки в отверстия во льду, и, чтобы они скорее вмёрзли, поливали лёд тёплой водой. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла, но никак не повлияет на последующее замораживание. 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, но не дала его объяснения. Условия эксперимента описываются следующим образом: 70 мл воды в 100-миллилитровых лабораторных стаканчиках на пенопластовых листах помещались в морозильную камеру бытового холодильника; чаще всего эффект наблюдался, когда один образец имел начальную температуру в 25 °C, а другой — 90 °C. Также они установили, что существенными факторами не являются как испарение жидкости, так и влияние растворенных в воде газов.
В 1969 году в журнале «Physics Education[англ.]» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект[1]. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «American Journal of Physics»[2].
Анализ парадокса
Было предложено несколько вариантов объяснения этого парадокса:
- Использование бытового холодильника с большим температурным гистерезисом в качестве экспериментального «прибора». Горячая вода, в отличие от холодной, нагревает термостат, тот запускает компрессор, и холодильник начинает морозить. Процесс инерционный, поэтому небольшое количество воды успевает даже замёрзнуть. Использование термостатированного холодильника опровергает этот парадокс, однако эта версия не стыкуется с тем, что эффект, как выше упомянуто, предположительно, был известен Аристотелю, Френсису Бэкону и Рене Декарту, которые явно не пользовались термостатированным холодильником; принципиально не может являться причиной, если образцы помещены в одну морозилку одновременно.
- Горячая вода начинает испаряться. Но в холодном воздухе превращается в лёд и начинает падать вниз, образовывая корку льда (по утверждению Мпембы и Осборна, они установили, что испарение не является существенным фактором).
- Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее (по утверждению Мпембы и Осборна, они установили, что испарение не является существенным фактором).
- Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с горячей водой должен замерзать медленнее (скорее всего, не является причиной, см. выше условия эксперимента Мпембы и Осборна).
- 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 — растворённых в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лёд затруднено, и возможно даже её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.
- Из-за разницы в энергии, запасённой в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды — молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии и означает охлаждение[3].
- Горячая вода может содержать меньше растворённых газов, потому что большое количество газа уходит при нагревании. Предполагается, что это изменяет свойства горячей воды, и она быстрее охлаждается[4]
- По мере нагревания водородные связи ослабевают, и молекулы воды в кластерах занимают такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда[5]. В холодной воде всё происходит так же, но энергии на разрыв водородных связей требуется больше — поэтому замерзание происходит медленнее[6].
Однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.
Современные представления
24 ноября 2016 года в журнале «Scientific Reports[англ.]» (входит в группу «Nature») была опубликована статья, где авторы утверждают, что в опубликованных ранее материалах нет чёткого научного определения эффекта, сами дают такое определение и показывают, что при следовании этому определению эффект не проявляется. В том числе они указывают и на недостаточную строгость утверждения «горячая вода не остывает быстрее, чем холодная» (ожидаемое поведение) — очевидно, что горячую воду можно остудить быстрее, чем холодную, если, к примеру, увеличить мощность, используемую для охлаждения. В статье показано, в частности, что при охлаждении трёх 400-граммовых порций воды, во всём идентичных между собой за исключением начальной температуры (21,8, 57,3 и 84,7 °C), залитых в одинаковые стаканы и помещённых в термостатный морозильник при −18 °C, горячая вода достигала нулевой температуры дольше (соответственно за 6397, 9504 и 10812 секунд), как и следовало ожидать согласно первому закону термодинамики[7].
Тем не менее, в 2017 году две исследовательские группы независимо и одновременно нашли теоретические доказательства эффекта Мпембы, а также предсказали новый «обратный» эффект Мпембы, при котором нагрев охлажденной системы, далекой от равновесия, занимает меньше времени, чем в другой системе, которая была изначально ближе к равновесию. Лу и Раз[8] дают общий критерий, основанный на марковской статистической механике, предсказывающий появление обратного эффекта Мпембы в модели Изинга и диффузионной динамике. Ласанта и его коллеги[9] предсказывают также прямые и обратные эффекты Мпембы для сыпучих тел в исходном состоянии, далеком от равновесия. В этой последней работе предполагается, что общий механизм, приводящий к обоим эффектам Мпембы, обусловлен функцией распределения частиц по скоростям, которая значительно отклоняется от распределения Максвелла.
Примечания
- ↑ Mpemba E. B., Osborne D. G. Cool? // Physics Education. — Institute of Physics, 1969. — Т. 4, № 3. — С. 172—175. — doi:10.1088/0031-9120/4/3/312. — .
- ↑ Kell G. S. The Freezing of Hot and Cold Water // American Journal of Physics. — AIP Scitation, 1969. — Т. 37, № 5. — С. 564—565. — doi:10.1119/1.1975687.
- ↑ Раскрыт секрет быстрого застывания горячей воды
- ↑ Пример физического явления
- ↑ Статья // Journal of Chemical Theory and Computation
- ↑ Ученые нашли новое объяснение «парадоксу Мпембы». naked-science.ru (9 января 2016). Дата обращения: 24 января 2017.
- ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold (англ.) // Scientific Reports. — 2016. — 24 November (vol. 6, no. 1). — P. 37665-1—37665-11. — ISSN 2045—2322. — doi:10.1038/srep37665. — .
- ↑ Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. Hydrogen-bond memory and water-skin supersolidity resolving the Mpemba paradox (англ.) // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2014-10-09. — Vol. 16, iss. 42. — P. 22995–23002. — ISSN 1463-9084. — doi:10.1039/C4CP03669G.
- ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2017-05-16. — Vol. 114, iss. 20. — P. 5083–5088. — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.1701264114.