Веками наблюдательные ученые от Аристотеля до Декарта питали подозрение, что, вопреки всем общепринятым представлениям, горячая вода каким-то образом может замерзнуть быстрее, чем холодная. Но не было научного консенсуса относительно того, что эта гипотеза действительно верна.
В 1963 году студент-физик из Танзании по имени Эрасто Б. Мпемба (произносится как эм-pem-ба) возродил эту идею благодаря случайному несчастному случаю, который произошел, когда он готовил мороженое. в его школе. Казалось, он доказал то, о чем подозревали Аристотель и Декарт: горячая вода достигает точки замерзания быстрее, чем холодная. Он написал о своих наблюдениях в статье 1969 года, озаглавленной просто «Круто?» что дало начало термину «эффект Мпембы»." Но был ли прав Эрасто Мпемба? Действительно ли горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?
Что такое эффект Мпембы?
Эффект Мпембы - это физическая концепция, которая постулирует, что, когда горячая и холодная вода помещены в одинаковую среду для замерзания, горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная.
Эрасто Мпемба отметил, что, когда его класс готовил мороженое, он поместил почти кипящую смесь сахара и молока (в основном воду) в морозильник, и она замерзла раньше, чем другие смеси, охлажденные до комнатной температуры. температура перед замораживанием.
Экстраполяция Мпембы из этого наблюдения заключалась в том, что когда одинаковые объемы воды - один при температуре 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию), а другой при температуре 95 градусов по Фаренгейту (35 градусов по Цельсию) - помещали в одинаковые химические стаканы и помещали в морозильник, вода с температурой 212 градусов быстрее превратится в лед. Наблюдения Мпембы за мороженым и постулат о воде сблизили его с многовековыми учеными, которые также подозревали об этом необычном свойстве воды.
Понимание процесса замораживания
Когда вода замерзает и превращается в лед, она претерпевает фазовый переход; он превращается из жидкости в твердое тело. Физики традиционно определяют фазу вещества, когда оно находится в равновесии. Это означает, что вещество находится в стабильном состоянии, и значительные количества энергии не перетекают из одной области в другую. Это также означает, что его объем и температура остаются постоянными. Когда вещество не находится в равновесии, его энергетические уровни колеблются, как и (потенциально) его состояние материи.
Чтобы вода замерзла и осталась замороженной, отдельные частицы воды должны достичь равновесия. Если через неравновесную воду проходит слишком много энергии, она будет колебаться между твердым и жидким (при низких температурах) или жидким и газообразным (при более высоких температурах). Чем раньше частицы воды достигают равновесия при низких энергетических уровнях, тем быстрее они могут замерзнуть.
Как горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная?
Физики до сих пор спорят о том, постоянно ли горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Когда это происходит, должны быть соблюдены определенные условия.
Когда сосуд с водой погружают в холодную среду, разные части воды достигают равновесия в разное время. Вода по краям сосуда остывает быстрее, а это значит, что она может замерзнуть, а вода в середине сосуда останется жидкой. И когда вы специально помещаете сосуд с горячей водой в морозильную камеру (например, 212-градусную кипящую воду, описанную Мпембой), он также выпускает пар из верхней части сосуда, и это уменьшает общий объем воды, которую необходимо заморозить.
Кроме того, холодная вода (или даже вода комнатной температуры) часто образует слой инея на своей поверхности в процессе замерзания. По иронии судьбы, этот мороз временно изолирует воду (подобно тому, как ледяное иглу изолирует своих обитателей от холодного воздуха), что может замедлить общий процесс замерзания. Горячая вода, по крайней мере на ранних стадиях, блокирует образование инея, что позволяет холодному воздуху глубже проникать в сосуд.
Вот некоторые из способов, которыми горячая вода может привести к замерзанию быстрее, чем холодная вода. Но помните, что для того, чтобы вода замерзла и оставалась замороженной, она должна достичь состояния равновесия.
Исследование, которое может доказать эффект Мпембы
Если есть доказательства того, что эффект Мпембы реален и последователен, то они получены из исследования 2020 года, проведенного Джоном Беххофером и Авинашем Кумаром. Исследование, опубликованное в журнале Nature, подвергло микроскопические стеклянные шарики тому, что они назвали «энергетическим ландшафтом», управляемым лазерами. Исследователи нагревали шарики до разных температур. Затем они наблюдали, какая из бусинок первой достигла состояния равновесия в этом энергетическом ландшафте.
Беххёфер и Кумар заметили, что микроскопические шарики, зародившиеся при высоких температурах, достигают равновесия быстрее, чем те, которые зародились при более низких температурах. Это достаточно интересно, но как достижение равновесия связано с замораживанием?
Связь проистекает из предыдущей работы, проделанной Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины и Орена Раза из Института науки Вейцмана в Израиле. В их статье «Неравновесная термодинамика марковского эффекта Мпембы и обратного эффекта», опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и описанной журналом Quanta, постулируется, что более горячие системы материи могут пропускать вперед в процессе достижение равновесия, таким образом достигая стабильного состояния быстрее, чем более холодная система.
Если релаксация к равновесию является критической точкой отсчета в процессе замерзания воды, то совместная работа Беххофера и Кумара вместе с Лу и Разом может доказать существование эффекта Мпембы.
Является ли эффект Мпембы доказанным научным фактом?
Эффект Мпембы не является общепризнанным доказанным научным явлением. Однако столетия наблюдений, а также недавняя работа Беххофера, Кумара, Лу и Раза убедили многих физиков в том, что при определенных обстоятельствах горячая вода действительно может достичь точки замерзания быстрее, чем холодная.
Некоторые ученые, такие как Гарри Берридж и Пол Линден, по-прежнему настроены скептически. Они признают, что, хотя некоторые сосуды с горячей водой могут замерзнуть быстрее, чем сосуды с холодной водой такого же размера, даже малейшее изменение условий стирает эффект. Собственное исследование Берриджа и Линдена 2016 года «Вопрос об эффекте Мпембы: горячая вода не остывает быстрее, чем холодная» показало, что любое доказательство эффекта Мпембы зависит от размера сосуда для воды и размещения термометра. В отдельном исследовании исследователь Джеймс Браунридж обнаружил, что примеси в сосуде с водой (например, в смеси мороженого Мпембы) изменяют температуру замерзания жидкости. Признавая, что бывают случаи, когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, эти ученые утверждают, что это явление не всегда применимо к природе.
Однако другие физики, такие как Рауль Рика Аларкон из испанского Университета Гранады, считают, что эти новые наборы данных, такие как предложенные Беххофером и Кумаром, имеют важное значение.«Я считаю, что эффект Мпембы может иметь место при некоторых особых обстоятельствах, - говорит Рика Аларкон, - но мы все еще пытаемся выяснить, каковы минимальные условия для этого».
Эффект Мпембы в контексте
Рика Аларкон отмечает, что соблюдение эффекта Мпембы всегда связано с резкой разницей температур между сосудом с водой и окружающей средой. И, добавляет он, вы можете наблюдать столь же интригующие явления, когда меняете температуру и помещаете замороженный лед в горячую среду.
Эффект Мпембы, по словам Рики Аларкон, «похоже, является одним из большой группы аномальных эффектов термализации, которые возникают, когда система внезапно контактирует с термальной ванной с другой температурой». Эффект Мпембы описывает фазовый переход от горячего к холодному, например, «когда вы берете горячую чашку и ставите ее в холодильник или в морозильную камеру». Но переход от холодного к горячему также приводит к необычным результатам.«Интересные эффекты возникают, когда вы выполняете снижение температуры от холодного к горячему, - говорит Рика Аларкон, - например, когда вы кладете кубик льда в кипящую воду».
Мы знаем, что многие поколения ученых наблюдали замерзание горячей воды с удивительной скоростью. Рика Аларкон призывает нас рассматривать этот процесс более целостно и думать об эффекте Мпембы как о части более широкого явления. «Термализация, - объясняет он, - может идти нелогичным путем из-за того, что процессы происходят вне равновесия».
Как холодно
Океанская вода, как и пресная вода, может замерзнуть, просто она делает это при более низкой температуре. Морская вода замерзает примерно при 28,4 градуса по Фаренгейту (минус 2 градуса по Цельсию) из-за содержания соли, а пресная вода замерзает при 32 градуса по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию).