Гаряча вода змерзає швидше

Гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Ви, ймовірно, чули про це. Але чому так? Адже це нелогічно, гарячій воді спочатку потрібно охолонути, а вже потім замерзнути. Що це за парадокс — справжня загадка природи чи просто неправильно проведений експеримент?

Гаряча вода замерзає швидше

Про те, що гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна, писали ще в Давній Греції. Але зараз цей дивовижний ефект має назву ефект Мпемби, або парадокс Мпемби. На честь африканського школяра, який у двадцятому столітті помітив цей ефект.

І не просто помітив, а ще й був досить впертим і наполегливим, щоб не тільки докучати шкільному вчителю фізики, а й звернутися до британського професора фізики й провести науковий експеримент, який довів правоту школяра.

Суть експерименту. Дві однакові пробірки з однаковим об’ємом води були поставлені в холодильник. Температура однієї була 25 градусів, а другої — 90 градусів за Цельсієм.

У результаті вода в пробірці з холодною водою перетворилася на лід пізніше, ніж у пробірці з гарячою. Тобто гаряча вода дійсно замерзла раніше.

Чому замерзає вода

Як відомо, вода замерзає за температури 0 градусів за Цельсієм або 32 градуси за Фаренгейтом. Замерзання означає, що рідка вода перетворюється на лід.

Тобто вода здійснює перехід з рідкого стану в твердий. Відбувається кристалізація.

Важливо зазначити, що вода не завжди перетворюється на лід саме при нулі, іноді вона може замерзнути раніше, а іноді пізніше. Нуль градусів був обраний як точка відліку для чистої (або майже чистої) прісної води. Якщо у воді є домішки, правило з нулем уже не працює.

Наприклад, солона морська вода замерзає за температури -1,8 градуса в середньому. А дистильована (тобто очищена від домішок) вода може не замерзати аж до температури -70 градусів Цельсія. Щоправда, йдеться тут про рекорд, а не про звичайну поведінку води.

Якщо у воді будуть якісь домішки, вони можуть створити “центри кристалізації”, і лід утвориться раніше, ніж температура опуститься до нуля.

Чи правда, що гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна?

Простими словами пояснити це складно.

Є одразу кілька варіантів пояснення парадокса Мпемби. Але немає жодного загальноприйнятого. Інакше цей ефект не був би парадоксом.

Суть парадокса в тому, що воді за температури 25 градусів, щоб замерзнути, потрібно охолонути до нуля. А гарячій воді — спочатку до 25 градусів, а вже потім до нуля. Якщо гаряча вода замерзає швидше, значить процес охолодження від 90 до нуля має відбуватися швидше, ніж від 25 до нуля. Як таке можливо?

Графік одного з експериментів. Гаряча вода перетнула вісь із температурою 0 градусів раніше

Варіант 0

Експеримент був поставлений некоректно. Було допущено помилку, яка вплинула на результати.

От тільки експеримент настільки простий, що будь-хто може його повторити й спростувати результати, але поки що цього не сталося. З іншого боку, завдання сформульоване не досить точно. Наприклад, незрозуміло, що вважати “замерзанням води”: утворення льоду чи охолодження до нуля? І що вважати замерзанням — появу льоду на поверхні чи повне промерзання всього об’єму?

Варіант 1

Гаряча вода випаровується дуже швидко і таким чином втрачає енергію швидше, ніж холодна, до того ж ще й зменшується в об’ємі. Гарне пояснення, але якщо в експерименті використати закриті ємності з водою, ситуація не зміниться — отже, випаровування тут ні до чого.

Варіант 2

Під час нагрівання гаряча вода “втратила” більшість розчинених у ній газів, а отже, її фізичні властивості відрізняються від холодної, тому процес охолодження йде швидше.

Варіант 3

Холодна вода не замерзає, тобто не перетворюється на лід. Насправді відбувається переохолодження води, коли її температура опускається нижче нуля, але кристалізація не відбувається.

В описі ефекту Мпемби йдеться саме про утворення льоду, а не про температуру як таку.

Варіант 4

У гарячої води водневі зв’язки були ослаблені під час нагрівання. Молекули води спочатку займають такі позиції, з яких кристалізуватися простіше (менші витрати енергії).

Вони ніби вже перебувають у таких геометричних положеннях (шестикутник) відносно одна одної, з яких створити кристал простіше.

А у випадку з холодною водою ще потрібно витратити енергію на розрив цих водневих зв’язків, а вже потім вибудовувати кристалічну решітку.

Це не весь список можливих пояснень парадоксу. У 2012 році королівське фізичне товариство провело конкурс, на який було надіслано понад 22 тисячі статей із поясненням ефекту.

Втім, поки що точно ніхто не знає, чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Деякі вчені навіть сумніваються, що ефект справді існує, а експеримент можна поставити правильно.

Зате кожен може перевірити, як узимку гаряча вода миттєво перетворюється на сніг, якщо її різко вилити на морозі. Гаряча вода на морозі замерзає швидше. Фото виходять гарні.