Горячая вода замерзает быстрее? Эффект Мпембы [Sciencium]

Что превратится в лёд быстрее, горячая или холодная вода? Казалось бы, ответ очевиден, горячей воде сперва надо остыть до той же температуры, что холодная, а потом ещё и замёрзнуть. То есть ей понадобится больше времени. Так? Однако этому противоречит эффект Мпембы. Он назван в честь Эраста Мпембы, подростка из Танзании, чей класс в 1963 году получил задание сделать мороженое. Надо было вскипятить молоко с сахаром, дать остыть и заморозить. Мпемба переживал, что его контейнеру не хватит места в морозилке, поэтому поставил его туда всё ещё горячим. Через полтора часа он увидел, что у него мороженое успело застыть, а у его друзей нет. Мальчика заинтересовал этот феномен. Вместе с профессором физики Денисом Осборном они провели эксперименты и с молоком, и с водой. Результат был такой же, и школьник с профессором опубликовали научную статью о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Однако Мпемба не был первым, кто заметил подобное явление. Ещё Аристотель отмечал, что вода, будучи вначале подогретой, замёрзнет быстрее, ибо остынет скорее. Вот почему многие, кто стремятся обратить горячую воду в холодную, сперва выставляют её на солнце. Ему вторит и Фрэнсис Бэккен, тёплой воде замерзнуть легче, чем той, что совсем холодна. Декарт в своём трактате о метеорологии утверждает, посредством опыта мы можем убедиться, что вода, которая долгое время пребывала горячей, замерзнет быстрее любой иной, ведь те частицы, что сопротивляются замерзанию, испаряются во время нагрева. Так что феномен замерзания горячей воды богата история наблюдений. В чём же причина этого явления? Пять разных гипотез связывают его с потаиванием льда, растворёнными газами, переохлаждением, испарением и конвекцией. Начнём с первой. Поместим два контейнера с водой в опледеневшую морозилку. Лёд выступает в качестве теплоизолятора, поэтому остывать сосуды будут дольше, но горячая вода может подтопить лёд, что создаст слой воды, который способствует теплообмену и ускоряет процесс охлаждения. Этот процесс объясняет некоторые примеры феномена Мпембы. Однако в ряде опытов основание сосуда не прикасалось к стенкам морозилки, при этом эффект наблюдался. Возможно, права вторая гипотеза, и всё дело в растворённых газах. Известно, что в холодной воде их заметно больше, чем в тёплой. Так что по мере остывания количество газов в воде растёт, но этот процесс происходит с выделением тепла, и вряд ли он ускоряет замерзание. Впрочем, доля растворённых газов может иметь отношение к следующей гипотезе — переохлаждению. По идее, вода превращается в лёд, когда её температура достигает нуля градусов. В реальности она может охладиться куда сильнее, лишь потом замёрзнуть. Переохлаждение происходит, если в воде нет центров кристаллизации, некой примеси или пузырьков воздуха. Предполагается, что чем вода теплее, тем меньше вероятность переохлаждения, и она замерзает быстрее. Почему — до конца не ясно. В некоторых экспериментах явление действительно удалось подтвердить. Однако получалось это через раз, даже в одинаковых условиях. Так что результаты нельзя назвать надёжными. Что и неудивительно, переохлаждению может помешать попавшая в воду соринка или царапина на стенке сосуда. Если вдуматься, много проблем вызывает само превращение воды в лёд, и дело не в переохлаждении, а в том, от какого количества энергии надо избавиться. Чтобы вода на нуле градусов перешла из жидкого состояния в твёрдое, нужно забрать столько же энергии, как чтобы остудить её с 80 до 0 градусов. Так что основную часть времени, которое вода остывает и замерзает, занимает сам процесс превращения жидкости в лёд. Поэтому во многих исследованиях эффектом Пембе учёные измеряют лишь время, которое нужно воде, чтобы охладиться примерно до 0 градусов, а столь непредсказуемое замерзание оставили за скобками. Итак, что поможет горячей воде остыть быстрее, чем холодной? Возможно, дело в испарении. Скажем, у нас есть два сосуда с горячей и холодной водой с одинаковым объёмом. Горячая вода испаряется активнее, чем холодная, её объём уменьшится, пока она остывает, а значит, дальше процесс пойдёт быстрее. На самом деле, испаряется обычно меньше 3% жидкости, что явно недостаточно для ощутимой разницы в скорости охлаждения. Кроме того, эффект Пембе фиксируют и в экспериментах с закрытыми сосудами. Эта гипотеза объясняет разницу явлением конвекции. В первую очередь, вода охлаждается на поверхности и возле стенок сосуда. В середине же вода остаётся теплей. Холодная вода опускается, тёплая занимает её место, происходит конвекция. Из-за более значимой разницы температуры она сильнее в горячем сосуде. Но даже когда он остынет до температуры холодного контейнера, конвекция останется более активной, что сделает охлаждение быстрее. В 2012 году Королевское химическое общество объявило награду за лучшее объяснение эффектом Пембе. Было получено 22 тысячи заявок. Однако научного консенсуса, похоже, пока нет, а некоторые исследования и вовсе говорят, что эффекта не существует. Удивительно, что мы до сих пор не разобрались с таким простым феноменом, как замерзание воды. Вот что я думаю по этому поводу. Факт того, что тёплая вода замерзает быстрее холодной люди наблюдают в быту уже сотни, даже тысячи лет. И эксперименты, вроде бы, подтверждают этот феномен в лабораторных условиях. Так что от эффекта Пембе нельзя просто так отмахнуться. Однако замерзание воды куда более непредсказуемое явление, чем нам кажется. В нём играет роль множество факторов, но проводя эксперимент контролировать мы можем разве что начальную температуру. В 2016 году было проведено строго контролируемое исследование, в рамках которого учёным не удалось найти доказательств того, что тёплая вода остывает быстрее холодной. Напротив, горячей воде понадобилось куда больше времени, чтобы достичь температуры в 0 градусов. Однако, сдвинув термопару, который измеряли температуру воды буквально на сантиметр, те же учёные заметили слабый эффект Мпембе. Они проверили другие работы по теме и показали, что если место измерения менялось даже на сантиметр, то эффект Мпембе остался в рамках погрешности. Получается, реальных доказательств для него у нас нет. Тёплая вода не замерзает быстрее холодной. Казалось бы, что тут такого? Однако, если бы эффект подтвердился, это имело бы большие последствия. Пришлось бы признать, что у молекул воды есть своего рода память о своих прошлых состояниях. А термодинамические таблицы свойств воды нужно было бы дополнить информацией не только о настоящей, но и о прошлой температуре. Так что, быть может, это и хорошо, что эффект Мпембе во всяком случае в контролируемых условиях не подтверждается. Иначе бы термодинамика оказалась куда запутанней.