В природном мире встречается множество удивительных явлений, многие из которых, будучи на первый взгляд очень простыми, оказываются весьма сложными для научного объяснения. К таким явлениям в том числе относится эффект Мпембы, который до сих пор вызывает споры среди учёных. Суть эффекта заключается в том, что горячая вода под определёнными условиями может замерзать быстрее, чем холодная. Если поместить два стакана с водой разной температуры (один с холодной, другой с кипящей) в условия охлаждения и измерять их температуру через равные промежутки времени, то можно заметить, что стакан с горячей водой начнёт остывать быстрее в определённый момент. Этот феномен, известный ещё со времён Аристотеля, получил своё название в 1969 году в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы. Несмотря на многочисленные исследования, учёные до сих пор не пришли к единому мнению о причинах возникновения эффекта Мпембы.
Некоторые эксперименты показывают отсутствие различий в скорости остывания холодной и горячей воды, в то время как другие подтверждают существование данного эффекта.
В последнее время появились предположения, что этот феномен может быть связан с наличием примесей в воде. Но найти разгадку было очень тяжело, так как эффект непостоянен – холодная вода также может застыть быстрее.
Над этим парадоксальным явлением размышляли такие великие умы как Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, но за тысячелетия никому ещё не удавалось предложить разумное объяснение этому феномену.
В 1963 году африканский юноша Эрасто Мпемба обнаружил, к полной растерянности школьного учителя по физике, что подогретая жидкость замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная (естественно, как и холодная, пройдя стадию охлаждения до нуля градусов Цельсия). Английский физик Денис Осборн, посетив с лекцией Дар-эс-Салам, где юноша учился, этот факт проверил и в конце 60-х опубликовал совместно с Мпембой статью в серьёзном научном журнале.
Лишь в 1963 году школьник из республики Танганьика, Эрасто Мпемба, заметил этот эффект на примере мороженого, но объяснения ему не дал никто из взрослых. Тем не менее, физики и химики серьёзно задумались над столь простым, но столь непонятным явлением.
Джеймс Браунридж (James Brownridge), который контролирует радиационную безопасность в государственном университете Нью-Йорка (State University of New York at Binghamton), считает что ключ к разгадке кроется в непостоянстве результатов. За последние 10 лет он провел сотни экспериментов на эффект Мпемба в свое свободное время, и получил свидетельства что эффект основан на изменчивом феномене переохлаждения.
“Вода редко застывает при 0oC,” рассказал Браунридж, – “Обычно вода переохлаждается, и начинает замерзать при более низкой температуре”. Точка замерзания зависит от примесей в воде, которые оказывают влияние на формирование кристаллов льда. В воде могут содержаться различные примеси: частички пыли, растворенная соль или бактерии. В зависимости от вида примесей меняется температура замерзания. Примесь с самой высокой точкой замерзания определяет температуру замерзания воды.
Браунридж проводит опыт таким образом: две пробы воды одной и той же температуры – допустим вода из под крана 20oC – в закрытой посуде охлаждается в холодильнике. Одна проба замерзнет быстрее, предположительно из-за того что смесь примесей в ней имеет более высокую температуру замерзания.
Если разница примесей достаточно велика, то проявится эффект Мпембы. Браунридж выбрал образец с самой высокой температурой замерзания и нагрел его до 80oC, тогда как другие образцы были комнатной температуры. Затем он положил все образцы в холодильник. Горячая вода всегда застынет быстрее, если ее точка замерзания как минимум на 5oC больше, рассказал Браунридж.
Может показаться невероятным что смещение финишной черты всего на 5oC достаточно, чтобы образец с начальной температурой на 60oC выше застыл быстрее. Но чем больше температурная разница между объектом и окружающей средой (в данном случае холодильником) – тем быстрее объект охлаждается. Поэтому более горячий образец очень быстро остынет, достигнув своей точки замерзания, например в -2oC, быстрее чем более холодная вода достигнет точки замерзания в -7oC.
Почему никто не замечал этого раньше? Браунридж рассказал, что другие люди недостаточно контролировали условия проведения эксперимента чтобы можно было проверять один фактор за раз. Например, необходимо контролировать тип контейнера, положение образца в холодильнике и так далее.
Эта работа вряд ли положит конец спорам вокруг эффекта Мпембы. Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Миссури (Washington University in St Louis, Missouri), отнесся к теории Браунриджа со скептицизмом. Согласно теории Катца, нагревание повышает точку замерзания воды, выпаривая примеси, такие как диоксид углерода. Это значит что само по себе нагревание уже повышает шансы что вода замерзнет быстрее, в отличие от более непостоянных результатов Браунриджа. “Возможно он обнаружил эффект переохлаждения, который напоминает эффект Мпембы”, – заявил Катц.
Одна из версий сути происходящего звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.
Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.
Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи.
В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: 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, как известно, и означает охлаждение.
Такая межмолекулярная связь и носит название водородной. Нетрудно подсчитать, что каждая молекула воды образует с другими четыре водородные связи.
Водородные связи не такие сильные, как ковалентные, но достаточно сильные, чтобы температура кипения составила не 70 градусов по Цельсию (если энергию этих связей вычесть), а 100. Не исключено, что межмолекулярные связи виноваты и в более быстром замерзании воды. Логика следующая. При нагревании воды водородные связи растягиваются с увеличением расстояния между молекулами. Растяжение означает запасание энергии (как у пружины, в которой при растяжении кинетическая энергия накапливается, а потом высвобождается при сжатии). При охлаждении дополнительная энергия, запасённая в растянутых водородных связях, высвобождается, а поскольку потеря дополнительной энергии вызывает и дополнительное падение температуры, тёплая вода замерзает быстрее, чем холодная. В статье подсчитано, что дополнительной энергии, накопленной в водородных связях, достаточно, чтобы влиять на темпы замерзания воды.
Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.
На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.
