Удивительное рядом: почему горячая вода превращается в лед быстрее, чем холодная. То, что вы не знали о воде

В старой доброй формуле H2O, казалось бы, не заключено никаких тайн. Но на самом деле вода - источник жизни и самая известная жидкость в мире - таит в себе множество загадок, неподвластных даже ученым. Пять самых известных “странностей” воды - перед вами.

1. Горячая вода замерзает быстрее холодной

Возьмем две емкости с водой: в один нальем горячую, а в другой — холодную воду. Поместим их в морозильную камеру. Емкость с горячей водой замерзнет быстрее, чем с холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед емкость с холодной водой: ведь горячей надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, а холодной остывать не надо. Почему же так происходит?

В 1963 году ученик старших классов Эрасто Б. Мпемба заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Учитель физики, с которым юноша поделился открытием, поднял его на смех. К счастью, ученик оказался настырным и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его правоту. Теперь феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название “эффект Мпемба”. Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его разницей в переохлаждении, испарении, формировании льда и т.д.

2. “Сверхохлаждение” предотвращает формирование льда

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении ее до нуля градусов по Цельсию… за исключением тех случаев, когда этого не происходит! “Сверхохлаждение” - это склонность воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. Именно поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как “сверхохлажденная” вода в одно мгновение превращается в лед. Убедитесь сами — смотрите ролик на нашем сайте.

3. “Стекловидная” вода

Быстро, не задумываясь, скажите, сколько различных состояний есть у воды? Вы сказали, три? Твердое, жидкое, газообразное? А вот и нет. Ученые выделяют как минимум 5 состояний “жидкой” воды и 14 состояний льда. Помните разговор про сверхохлажденню воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C самая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. А ВТО же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При -120 °C лед становится тягучим, как патока, а при -135 °C и ниже он превращается в “стеклянную” или “стекловидную” воду - твердое вещество с отсутствием кристаллов.

4. Квантовое число воды

На молекулярном уровне воде есть чем удивить ученых. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: было обнаружено, что нейтроны, направленные на молекулы воды, “видят” на 25% меньше протонов водорода. Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 в минус 18 степени секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды из привычной Н2О превращается в Н1,5О!
Что такое одна аттосекунда, спросите вы? Это время, за которое свет проходит расстояние, сравнимое с размерами молекулы воды.

5. Есть ли у воды память?

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что слабый раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм и сохранить свойства раствора первоначальной концентрации, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не остается ничего, кроме молекул воды. Приверженцы гомеопатии как метода лечения объясняют этот парадокс коцепцией под названием “память воды”. В 2002 году международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис из Королевского университета в Белфасте, ранее критиковавшая принципы гомеопатии, заявила о том, что ей удалось доказать реальность эффекта “памяти воды” Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Дискуссия о феномене “памяти воды” продолжается.

Вода. На нашей планете это одно из главных химических соединений, которое играет важную роль для всего живого. Сейчас изучению свойств воды отдают много времени, сил и денег. Ведь она не перестаёт поражать своими загадками. В данной статье будут приведены некоторые интересные и малоизвестные факты о воде, которые учёные открыли совсем недавно.

Как нас всех учили в школе, вода имеет три состояния, но это не совсем верно. Учёные доказали, что она имеет 5 различных состояний в жидком виде и 14 состояний в «замороженном».
9. Горячую воду превратить в лёд быстрее, чем холодную

Конечно, это странно, но доказанный факт гласит, что горячую воду легче превратить в лёд, чем холодную. Если рассуждать логически, горячей воде, чтобы замёрзнуть, нужно остыть. Но на практике, в лёд быстрее превращается именно горячая вода. Почему так происходит? До сих пор, этот вопрос остаётся нерешённым. Есть предположение, что причина в разнице переохлаждений, испарений при образовании льда, конвекции, либо причина в воздействии разжиженных газов на горячую и холодную воду.
8. Вода не замерзает при нулевой температуре

Все знают, что обычная вода замерзает при нуле градусов по Цельсию. Но ещё существует такое понятие, как «сверхчистая» вода, которая не имеет никаких примесей. Это вода остаётся жидкой и при температурах ниже нуля, замерзает она лишь примерно при -10–11°С.
7. Вода как стекло

Если чистую воду, которая замёрзла продолжать остужать до температуры минус 120° по Цельсию, то её структура, превращается из кристаллической в аморфную. При такой температуре вода стает тягучей и вязкой. А если довести её, до минус 135°С, она становиться как стекло.
6. В морской воде много белка

Как оказалась морская вода весьма питательная: в 1 кубическом метре морской воды содержатся примерно 1,5 кг белка и других веществ. Учёные подсчитали, что только один Атлантический океан по питательности можно сравнить с 20 тысячами собранных урожаев, которые выращиваются за год на суше.

Это не та «огненная» вода, о которой вы подумали (водка или спирт). Здесь речь идёт о самой настоящей воде, которая горит (если к ней поднести спичку, то она воспламениться). Такая вода есть в одном из источников Азербайджана, в которой содержится большая концентрация метана.
4. Где больше всего пресной воды?

Больше всего пресной воды сосредоточено в ледниках. Из всего количества больше всего её находиться… нет не в Мировом океане, а в земной мантии (больше чем в океане в 10–12 раз!). Интересно, что пресная вода составляет лишь 3% от всего мирового запаса. Однако и эта часть малодоступна людям - ведь основная её доля - в ледниках.
3. Вода и здоровье

Конечно, вода является не только источником здоровья, но и источником болезней, так как она хорошо растворяет в себе ядовитые вещества и является переносчиком болезнетворных бактерий. Стоит отметить, что 85% всех болезней передаётся через воду. От этих заболеваний в мире умирает 25 тысяч человек в год.
1. Где самая чистая вода?


По данным всемирной организации ЮНЕСКО, самая чистая вода находится в Финляндии. К этому выводу учёные пришли после исследований, которые проводились в 122 странах. Но к сожалению сейчас порядка 1 млрд людей в мире не имеют доступа к чистой воде.

Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую - холодную воду, и поместим их в морозильную камеру.

Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо. Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная.

Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.

К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба».

Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев!

Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.

Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. «Стеклянная» вода

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды?

Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед.

Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?

При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

4. Квантовые свойства воды

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O, становится H1.5O!

5. Есть ли у воды память?

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.

Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.

Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Вода – одна из самых удивительных жидкостей на свете, которой присущи необычные свойства. Например, лед – твердое состояние жидкости, имеет удельный вес ниже, чем сама вода, что сделало во многом возможным возникновение и развитие жизни на Земле. Кроме того, в околонаучном, да и научном мире ведутся дискуссии по поводу, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная. Тот, кто докажет более быстрое замерзание горячей жидкости в определенных условиях и научно обоснует свое решение, получит от Британского королевского общества химиков награду в 1000 фунтов стерлингов.

История вопроса

О том, что при выполнении ряда условий горячая вода по скорости замерзания опережает холодную, было замечено еще в Средневековье. Объяснению этого феномена затратили немало усилий Френсис Бэкон (Francis Bacon) и Рене Декарт (René Descartes). Однако, с точки зрения классической теплотехники, этот парадокс объяснить невозможно, и о нем старались стыдливо замалчивать. Толчком к продолжению споров послужила несколько курьезная история, случившаяся с танзанийским школьником Эрасто Мпембе (Erasto Mpemba) в 1963 году. Однажды во время урока по приготовлению десертов в школе поваров, мальчик, отвлекшись на посторонние дела, не успел охладить смесь для мороженого вовремя и сунул в морозильную камеру раствор сахара в молоке горячим. На его удивление, продукт охладился несколько быстрее, чем у его соучеников, соблюдающих температурный режим приготовления мороженого.

Пытаясь уяснить сущность явления, мальчик обратился к учителю физики, который, не вдаваясь в подробности, высмеял его кулинарные опыты. Однако Эрасто отличался завидным упорством и продолжил свои эксперименты уже не на молоке, а на воде. Он убедился, что в ряде случаев замерзание горячей воды происходит быстрее, чем холодной.

Поступив в университет в Дар-эс-Саламе (University of Dar es Salaam), Эрасто Мпембе посетил лекцию профессора Дениса Г. Осборна (Dennis G. Osborne). После её окончания студент озадачил ученого проблемой о скорости замерзания воды в зависимости от ее температуры. Д.Г. Осборн высмеял саму постановку вопроса, заявив с апломбом, что любому двоечнику известно, что холодная вода замерзнет быстрее. Однако природное упорство юноши дало о себе знать. Он заключил с профессором пари, предложив здесь же, в лаборатории, провести экспериментальную проверку. Эрасто поместил в морозилку два контейнера с водой, температура которой в одном была равной 95°F (35°C), а во втором – 212°F (100°C). Каково же было удивление профессора и окружающих «болельщиков», когда вода во втором контейнере замерзла быстрее. С тех пор это явление получило название «Парадокса Мпембы».

Однако до настоящего времени нет стройной теоретической гипотезы, объясняющей «Парадокс Мпембы». Не ясно, какие внешние факторы, химический состав воды, наличие в ней растворенных газов и минеральных веществ оказывают влияние на скорость замерзания жидкостей, находящихся при разных температурах. Парадоксальность «Эффекта Мпембы» в том, что он противоречит одному из законов, открытых еще И. Ньютоном, который гласит, что время остывания воды прямо пропорционально разности температур жидкости и окружающей среды. И если все остальные жидкости полностью подчиняются этому закону, то вода в ряде случаев является исключением.

Почему горячая вода быстрее замерзае т

Существует несколько версий, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Основными из них считаются:

• горячая вода быстрее испаряется, при этом уменьшается ее объем, а меньший объем жидкости остывает быстрее – при охлаждении воды от + 100°С до 0°С объемные потери при атмосферном давлении достигают 15%;
• интенсивность теплообмена между жидкостью и окружающей средой тем выше, чем больше разница температур, поэтому тепловые потери кипятка проходят быстрее;
• при остывании горячей воды на ее поверхности образуется корочка льда, препятствующая полному промерзанию жидкости и ее испарению;
• при высокой температуре воды происходит ее конвекционное перемешивание, сокращающее время замерзания;
• растворенные в воде газы понижают точку замерзания, отбирая энергию на кристаллообразование, – в горячей воде растворенные газы отсутствуют.

Все эти условия неоднократно подвергались экспериментальной проверке. В частности, германский ученый Давид Ауэрбах (David Auerbach) обнаружил, что температура кристаллизации горячей воды несколько выше, чем у холодной, что делает возможным более быстрое замерзание первой. Однако позднее его опыты были подвергнуты критике и многие ученые убеждены, что «Эффект Мпембы» о том, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная, можно воспроизвести только в определенных условиях, поисками и конкретизацией которых до настоящего времени никто не занимался.

21.11.2017 11.10.2018 Александр Фирцев

«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.

История наблюдений и исследований

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.

С тех пор явление называли эффектом Мпембы .

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000 научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

Эффект Мпембы в реальной жизни

А вы года нибудь задумывались почему в зимнее время каток заливают горячей водой, а не холодной? Как вы уже поняли, делают это потому, что каток залитый горячей водой замёрзнет быстрее, чем если бы его заливали холодной. По той же причине горячей водой заливают горки в зимних ледовых городках.

Таким образом, знание о существовании феномена позволяет людям сэкономить время при подготовке площадок для зимних видов спорта.

Помимо этого, эффект Мпембы иногда используется и в промышленности — для сокращения времени заморозки продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.