0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы

«Какая вода замерзает быстрее холодная или горячая?» — попробуйте задать вопрос своим знакомым, скорее всего большинство из них ответят, что быстрее замерзает холодная вода — и допустят ошибку.

На самом деле, если одновременно поставить в морозильную камеру два одинаковых по форме и объёму сосуда, в одном из которых будет холодная вода, а в другом горячая, то быстрее замёрзнет именно горячая вода.

Подобное утверждение может показаться абсурдным и неразумным. Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а холодная в этой время должна уже уже превратится в лёд.

Так почему же горячая вода обгоняет холодную на пути к замерзанию? Попробуем разобраться.

Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)

От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.

Статья в тему:  17 сентября день рождения. Любовь и секс. Число рождения для мужчины

Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.

На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.

История вопроса

Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.

Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.

Статья в тему:  Что изучается в морфологии в русском языке. Что изучает морфология? Междометия, звукоподражательные слова

В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.

Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).

Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.

Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.

Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)

Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.

Статья в тему:  Анализ стихотворения фета "листья". Листья

Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.

в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.

Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.

Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.

Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.

Статья в тему:  Чем различаются органические и неорганические соединения. В чем отличие органических удобрений от минеральных. Чем отличаются неорганические и органические вещества

Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!

В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.

Почему новое объяснение лучше предыдущих?

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).

Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.

Статья в тему:  33 года что происходит. Средний возраст и его кризис. Какой смысл видели масоны

Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.

Как бы то ни было, теория у них интересная.

P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).

Последние исследования

Недавно исследователи из университета в Сингапуре предложили, возможно, наиболее правдоподобное объяснение эффекта Мпемба.

В новом исследовании утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение этого эффекта. Которое математически соответствует наблюдаемым данным. И возможно, это первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, прикрепленных к молекуле кислорода. В основном за счет прочных ковалентных связей. Обычно ковалентные связи размягчаются и удлиняются при нагревании. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей, взаимодействия между атомами водорода в одной молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле, происходит обратный эффект. Когда вода поглощает энергию, водородные связи будут растягиваться. Заставляя отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга. Но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче. То же самое, что происходит при замерзании воды.

Таким образом, на молекулярном уровне нагретая вода больше напоминает замороженную воду, чем исходная более холодная вода. Что еще более важно, скорость, с которой высвобождается энергия в этих сжатых ковалентных связях, экспоненциально зависит от того, сколько энергии было изначально сохранено. Фактически, горячая вода имеет энергию, подобную источнику, который высвобождается, когда вы начинаете охлаждать ее, позволяя ей быстрее остывать и замерзать.

Статья в тему:  Абвер немецкая разведка. Абвер третьего рейха и его секреты. Иностранный отдел «Абвер-Заграница»

Основные теории

Испарение воды

Часть ученых объясняли, что нагретая вода быстрее испаряется и, соответственно, либо замерзает в воздухе и образует ледяную корку, либо просто удаляется из системы. Стоит отметить, что во всех экспериментах, где взвешивалась масса воды до и после заморозки, максимальная потеря массы достигала не более 3%. Такое несущественное изменение массы, очевидно, не может вызвать значительное ускорение замораживания. Еще одна сложность данного эксперимента лежала в том, что доказать данный момент практически невозможно, поскольку при герметизации емкости с замораживаемой водой изменится не только испарение, а и движение тепловых потоков.

Растворенные газы

Растворимость газов в воде падает с повышением ее температуры. Исходя из этого часть исследователей допускали, что быстрое замерзание воды связано с этим фактом. Проведенные Томасом исследования показали, что разница в температурах замерзания слабо отклоняется от ноля, а Ауэрбах доказал, что концентрация газов в воде не влияет на переохлаждение воды.

Конвекция, усиленная градиентом тепла

Давайте разберемся с тем, что такое конвекция и градиент тепла. Когда емкость с водой помещается в морозильную камеру, то жидкость на поверхности и возле стенок емкости быстрее контактирует с холодной окружающей средой и охлаждается. В это же время внутри образца температура сохраняется, вследствие чего внутри емкости появляется разность температур или температурный градиент. Он вызывает перенос тепла, причем чем сильнее градиент, тем лучше конвекция. Соответственно, чем выше эта разность температур, тем активнее будет происходить теплообмен, а собственно и охлаждение.

Статья в тему:  Чем мне понравилось произведение

Водородные связи

В 2017 году был получен окончательный ответ на вопрос о том, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная — причиной являются свойства водородных связей. Ключевой аргумент исследователей заключается в том, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры, а существование небольших крепко связанных кластеров, в свою очередь, способствует образованию правильного гексагонального льда при быстром охлаждении теплой воды. Помимо этого, был доказан обратный эффект быстрого нагревания переохлажденной воды.

Как и почему формируется лед, и как располагаются молекулы воды в его структуре, мы уже писали ранее.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector