Якая вада хутчэй замярзае: гарачая або халодная? Ад чаго гэта залежыць

На тое, якая вада хутчэй замярзае, гарачая або халодная, ўплывае мноства фактараў, але сам па сабе пытанне здаецца трохі дзіўным. Маецца на ўвазе, і гэта вядома з фізікі, што гарачай вадзе яшчэ патрэбны час для таго, каб астыць да тэмпературы параўноўваў халоднай вады, каб ператварыцца ў лёд. Халоднай вадзе гэты этап можна прапусціць, а, адпаведна, па часе яна выйграе. Але адказ на пытанне аб тым, якая вада замярзае хутчэй - халодная ці гарачая - на вуліцы ў мароз, ведае любы жыхар паўночных шырот. Па сутнасці, па-навуковаму, выходзіць, што ў любым выпадку халодная вада проста абавязаная змерзнуць хутчэй.

Гэтак жа падумаў і настаўнік фізікі, да якога звярнуўся школьнік Эраста Мпемба ў 1963 годзе з просьбай патлумачыць, чаму халодная сумесь будучага марожанага замярзае даўжэй, чым аналагічная, але гарачая.

"Гэта не сусветная фізіка, а нейкая фізіка Мпембы"

У той раз настаўнік толькі пасмяяўся над гэтым, але Денисс Осбарн, прафесар фізікі, які ў свой час заехаў у тую ж школу, дзе вучыўся Эраста, эксперыментальна пацвердзіў наяўнасць такога эфекту, хоць і тлумачэнні тады гэтаму не знайшлося. У 1969 годзе ў папулярным навуковым часопісе выйшла сумесная артыкул гэтых двух людзей, якія апісалі гэты своеасаблівы эфект. З тых часоў, дарэчы, пытанне аб тым, якая вада хутчэй замярзае - гарачая або халодная, мае ўласнае назва - эфект, ці ж парадокс, Мпембы.

Пытанне узнікаў даўно

Натуральна, што і раней такі феномен меў месца быць, і ён быў згаданы ў працах іншых навукоўцаў. Не толькі школьнік цікавіўся гэтым пытаннем, але і свой час пра гэта думаў Фрэнсіс Бэкан, Рэнэ Дэкарт і нават Арыстоцель. Вось толькі падыходы да вырашэння гэтага парадоксу прыступілі шукаць толькі ў канцы дваццатага стагоддзя.

Ўмовы для таго, каб адбыўся парадокс

Як і ў выпадку з марозівам, не проста звычайная вада замярзае ў працэсе эксперыменту. Павінны прысутнічаць пэўныя ўмовы для таго, каб пачаць спрачацца, якая вада замярзае хутчэй - халодная ці гарачая. Што ўплывае на праходжанне дадзенага працэсу?

Цяпер, у 21 стагоддзі, вылучана некалькі варыянтаў, якія могуць растлумачыць даный парадокс. Тое, якая вада замярзае хутчэй, гарачая або халодная, можа залежаць ад таго, што ў гарачай вады маецца вялікая, чым у холадзе, хуткасць выпарэння. Такім чынам, памяншаецца яе аб'ём, а пры памяншэнні аб'ёму і час замярзання становіцца менш, чым калі ўзяць аналагічны першапачатковы аб'ём халоднай вады.

Даўно размарожваць маразілку

На тое, якая вада замярзае хутчэй, і чаму гэта адбываецца, можа паўплываць снеговая падшэўка, якая можа мець месца ў маразілцы халадзільніка, якая выкарыстоўваецца для эксперыменту. Калі ўзяць два кантэйнера, ідэнтычных па аб'ёме, але ў адным з іх будзе гарачая вада, а ў іншым - халодная, кантэйнер з гарачай вадой расплавіць пад сабой снег, тым самым паляпшаючы кантакт цеплавога ўзроўню са сценкай халадзільніка. Кантэйнер з халоднай вадой такога зрабіць не можа. Калі ж такі падшэўкі са снегам у халадзільнай камеры няма, халодная вада павінна змерзнуць хутчэй.

Верх - унізе

Таксама з'ява таго, якая вада хутчэй замярзае - гарачая або халодная, тлумачыцца наступным чынам. Вынікаючы пэўных законах, халодная вада замярзаць пачынае з верхніх слаёў, калі гарачая робіць гэта наадварот - пачынае замярзаць знізу ўверх. Пры гэтым выходзіць, што халодная вада, маючы зверху халодную праслойку з ужо месцамі ўтварыўся лёдам, пагаршае сабе такім чынам працэсы канвекцыі і цеплавога выпраменьвання, тым самым тлумачыцца, якая вада замярзае хутчэй - халодная ці гарачая. Фота з аматарскіх эксперыментаў прыкладаецца, і тут гэта выразна відаць.

Цяпло выходзіць вонкі, імкнучыся ўверх, а там сустракаецца з вельмі астуджаным пластом. Вольнага шляху для теплоизлучения не маецца, таму працэс астуджэння становіцца цяжкім. Такіх перашкод на сваім шляху абсалютна не мае гарачая вада. Якая замярзае хутчэй - халодная ці гарачая, ад чаго залежыць азначае ўпэўненасці, можна пашырыць адказ тым, што любая вада мае пэўныя рэчывы, раствораныя ў ёй.

Прымешкі ў складзе вады як фактар, які ўплывае на зыход

Калі не жульнічаць і выкарыстоўваць ваду з аднолькавым складам, дзе канцэнтрацыі пэўных рэчываў з'яўляюцца ідэнтычнымі, то халодная вада павінна змерзнуць хутчэй. Але калі ж адбываецца сітуацыя, калі раствораны хімічныя элементы ў наяўнасці толькі ў гарачай вадзе, а халодная вада пры гэтым імі не валодае, тады ёсць магчымасць у гарачай вады змерзнуць раней. Тлумачыцца гэта тым, што раствораныя рэчывы ў вадзе ствараюць цэнтры крышталізацыі, і пры малой колькасці гэтых цэнтраў ператварэнне вады ў цвёрдае стане абцяжарана. Магчыма нават пераахаладжэнне вады, у тым плане, што пры мінусовай тэмпературы яна будзе знаходзіцца ў вадкім стане.

Але ўсе гэтыя версіі, відаць, не да канца ладзілі навукоўцаў і яны працягвалі працаваць над гэтым пытаннем. У 2013 годзе каманда даследчыкаў у Сінгапуры заявіла, што ім атрымалася разгадаць векавую загадку. Група з кітайскіх навукоўцаў сцвярджае, што сакрэт дадзенага эфекту складаецца ў колькасці энергіі, якая запасам паміж малекуламі вады ў яе сувязях, названых вадароднымі.

Разгадка ад кітайскіх навукоўцаў

Далей будзе інфармацыя, для разумення якой неабходна мець некаторыя веды ў хіміі, каб разабрацца ў тым, якая вада замярзае хутчэй - гарачая або халодная. Як вядома, малекула вады складаецца з двух атамаў Н (вадароду) і аднаго атама Аб (кіслароду), якія ўтрымліваюцца паміж сабой кавалентная сувязь.

Але таксама атамы вадароду адной малекулы прыцягваюцца і да суседніх малекулам, да іх кіслароднай складнікам. Менавіта такія сувязі называюцца вадароднымі.

Пры гэтым варта памятаць, што ў той жа час малекулы вады дзейнічаюць адзін на аднаго адштурхвае. Навукоўцы адзначылі, што пры награванні вады паміж яе малекуламі павялічваецца адлегласць, і гэтаму спрыяюць як раз адштурхвае сілы. Атрымліваецца так, што вадародныя сувязі, займаючы адно адлегласць паміж малекуламі ў халодным стане, можна сказаць, расцягваюцца, і ў іх з'яўляецца большы запас энергіі. Менавіта гэты запас энергіі вызваляецца, калі малекулы вады пачынаюць збліжацца адзін з адным, гэта значыць, адбываецца астуджэнне. Выходзіць, што большы запас энергіі ў гарачай вадзе, і яе большае вызваленне пры астуджэнні да мінусовых тэмператур, адбываецца хутчэй, чым у халоднай вадзе, у якой запас такой энергіі менш. Ну дык дзе там вада замярзае хутчэй - халодная ці гарачая? На вуліцы і ў лабараторыі павінен адбывацца парадокс Мпембы, і гарачая вада павінна ператварацца ў лёд хутчэй.

Але пытанне ўсё яшчэ адкрыты

Існуе толькі тэарэтычнае пацверджанне дадзенай разгадкі - усё гэта напісана прыгожымі формуламі і здаецца праўдападобным. Але вось калі дадзеныя эксперыментаў, якая вада хутчэй замярзае - гарачая або халодная, будуць пастаўлены ў практычным сэнсе, і іх вынікі будуць прадстаўлены, тады і можна будзе лічыць пытанне парадоксу Мпембы закрытым.