публичный образовательный интернет-портал

Что такое эффект Мпембы?

21/05/2020
Эффект Мпембы. Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная
Эффект Мпембы
Эффект Мпембы

Детские вопросы, которые принято считать наивными, иногда оказываются на удивление глубокими. Более того, случается так, что взрослый человек, выдающийся специалист, не может дать ответ ребёнку, простым языком, без формул, чтобы малыш его понял. Не даром Альберт Эйнштейн (Знаете такого? Головастый парень!) говаривал: «Если вы не можете объяснить пятилетнему ребенку свою мысль, значит, вы сами ее не очень-то понимаете»

Но почему учёные любят искать ответы на глупые, «детские», вопросы? В первую очередь, потому, что такие вопросы заражают их микробом любопытства. А ведь любопытство – главная причина, побуждающая человека к научной деятельности. Более того, один выдающийся учёный, академик Лев Андреевич Арцимович (1909-1973), которому в этом вопросе и карты в руки, определял науку, как «лучший способ удовлетворения любопытства отдельных лиц за счёт государства». Так что если господин профессор не любопытен, он, пожалуй что и не учёный.

Любопытство оживляет бег мысли. Господин профессор, не оперённый любопытством, становится тяжёлым, словно бронзовый памятник. Любопытство же превращает его в непослушного мальчишку, который бегает везде, всюду суёт свой нос, смеётся и щупает то, что, вроде бы, трогать руками строго-настрого запрещается. Не всегда такое поведение приводит к открытию, иногда не приводит. Однако в любом случае прививка любопытства господину профессору ужасно приятна. Тут, кстати, приходит на память одна давняя история, вошедшая в анналы такой серьёзной науки, как физика.

Горячая и холодная вода замерзают немного по-разному.

История эта произошла в 1963 году, то есть, давным-давно. И произошла она в далекой африканской стране, которой нынче нет на карте. Дело в том, что через год славная страна Танганьика, объединилась с островом Занзибар, и новая страна стала называться Танзанией. Жил в Танганьике любопытный школьник по имени Эрасто Мпемба. В школе, где Эрасто учился, среди прочего были уроки кулинарии и, ему пришлось выполнять одно такое задание, приготовить молочное мороженное. Дело было не сложное: смешать на огне молоко, воду и сахар, остудить, разлить в формочки и поставить в холодильник, чтобы получить готовую белую сладкую ледышку. Эрасто Мпемба сделал всё, как положено. Вот только одну из наполненных формочек школьник поставил в холодильник не охладив, как следует. Даже на ощупь она была горячей. Удивительно, однако именно в этой формочке молочная смесь замерзла и превратился в мороженное первой. Кажется невероятным, чтобы горячая жидкость остыла быстрее холодной. С точки зрения физики это было явным нарушением фундаментального первого закона термодинамики!

Именно так ответил Эрасто Мпембе учитель физики, которому школьник рассказал о своем наблюдении. Несмотря на то, что учитель поднял Эрасто на смех, тот не разочаровался. Когда в их школу приехал профессор физики из университета в Дар-эс-Саламе  Денис Осборн (Denis G. Osborne; 1932 – 2014), чтобы прочесть школьникам лекцию о достижениях физики, Эрасто Мпеба рассказал профессору о своем парадоксальном эксперименте и попросил объяснить странный эффект..

Осборн был не просто профессором, он оказался любопытным, то есть, как было сказано выше, настоящим учёным. Возвратившись в университет, он сделал несколько опытов, которые подтвердили: Эрасто Мпемба был прав. В самом деле, холодная вода замерзала медленнее, чем горячая. Результаты своих исследований Денис Осборн опубликовал в серьёзном научном журнале в 1969 году. Соавтором этой статьи (и даже первым её автором) был также Эрасто Мпемба. Он к тому времени уже учился в одном из танзанийских колледжей.

Интересно, что многие жители холодной России с эффектом Мпембы ознакомились с самого детства. Зимой каток для юных хоккеистов или конькобежцев заливали горячей водой, зная, что в этом случае он быстрее застынет. 

Статья Мпембы и Осборна обратила внимание физиков на странное поведение горячей воды при замерзании. Надо сказать, что учёные традиционно не удивились странному поведению воды. Эта самая распространённая на Земле жидкость обладает рядом свойств, определяющих многие  её удивительные свойства. Например, мы привыкли к тому, что лёд легче воды и этому не удивляемся. Между тем плотность любого другого вещества в твёрдом виде выше плотности жидкости.  Железный лом опускался на дно ванны мартеновской печи, а не плавал сверху. Если Ваш дедушка работал сталеваром, спросите у него.

Задача, заданная физикам школьником Мпембой оказалась совсем не простой. Во-первых, требовалось точно определить что такое «точка замерзания»? Во-вторых, следовало бы исследовать, чем холодная вода отличается от горячей. Только ли начальной температурой? А нет ли других физических отличий, которые именно и определяют, какая из жидкостей быстрее застынет: холодная  или горячая. Может быть эти определяющие отличия только коррелируют с температурой воды и изучать следует именно их. 

В настоящее время существует несколько объяснений нестандартного поведения горячей и холодной воды при замерзании. Рассмотрим их в порядке возрастающей сложности

1. Испарение горячей воды уменьшает общий объём жидкости в сосуде. А если воды меньше, она и остынет быстрее. .

2. Вода с более высокой температурой и испаряться будет более интенсивно, нежели вода с более низкой температурой. В холодном воздухе пар превращается в мелкие ледяные кристаллы. Эти кристаллики падают в сосуд, где находится охлаждаемая вода. По мере дальнейшего охлаждения воды эти кристаллики становятся зародышами кристаллизации

3. В горячей воде, как известно, меньше центров кристаллизации (включая воздушные пузырьки и пылинки). Поэтому горячая вода при охлаждении не кристаллизуется некоторое время и переохлаждается. Переохлаждённая же вода даже от небольшого случайного воздействия застывает очень быстро, почти одномоментно.

4. Переходим на молекулярный уровень. Расстояние между молекулами в горячей воде увеличивается, за счёт того, что кинетическая энергия каждой молекулы выше, чем та же энергия в холодной воде. Как следствие, возрастает также и потенциальная энергия связи между каждой парой молекул. В процессе охлаждения воды, расстояния между молекулами уменьшаются. При этом часть потенциальной энергии молекул высвобождается, выделяясь в пространство, что вызывает дополнительное охлаждение и более быстрое замерзание.

5. А вот точка зрения прямо противоположная. Связи между молекулами воды ослабевают по мере нагревания воды. При этом молекулы сдвигаются к позициям, которые они занимают в кристалле льда. В тот момент, когда при охлаждении температура воды достигнет порога кристаллизации, не потребуется дополнительной энергии для разрыва прежних связей. Поэтому лед образуется быстрее. А вот если до температуры кристаллизации будет остывать холодная вода, то потребуется определённая энергия и определённое время, чтобы разорвать прежние связи.

Не следует думать, что эффект Мпембы – какое-то экзотическое и странное явление. В 2017 году в  Научно-исследовательском институте имени Вейцмана в Реховоте (Израиль) физики Амит Галь и Орен Раз отыскали теоретическое доказательство эффекта Мпембы, то есть накрепко связали этот странный факт со всем набором фактов современной физики. Оказалось, что утверждение «горячая вода замерзает быстрее, чем холодная» — не вполне точно. Теория показала, что есть некоторые пары температур, при которых горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная при прочих равных условиях. Теоретики предсказали также «обратный» эффект Мпембы. Оказалось, что некоторые ферромагнитные материалы (примерами которых являются железо, никель кобальт) при определённых условиях будут нагреваться быстрее, если предварительно их охладить. А тут выход в теорию магнетизма, область явно далёкую от термодинамики.

На примере эффекта, обнаруженного мальчишкой из Танганьики, мы можем увидеть, как развивается наука. Обнаружение эффекта, его экспериментальное исследование, построение математической модели и теоретическое исследование этой модели, получение далеко идущих выводов, расширяющих взгляды учёных и всю науку в целом.