Парадокс Мпембы — горячая вода (при некоторых условиях) может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Mpemba-effect

Об этом феномене упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.

Eже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: “Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?” Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале “Physics Education”. С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

В том же, 1969 году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «American Journal of Physics».

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

Горячая вода начинает испаряться. Но в холодном воздухе превращается в лед и начинает падать вниз, образовывая корку льда.

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с горячей водой должен замерзать медленнее.

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

Из-за разницы в энергии, запасённой в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды — молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии и означает охлаждение.

Горячая вода может содержать меньше растворенных газов, потому что большое количество газа уходит при нагревании. Предполагается, что это изменяет свойства горячей воды и она быстрее охлаждается

Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.

В 2012 г. британское Королевское химическое общество объявило конкурс гипотез, объясняющих этот феномен. С тех пор было получено более 22 тыс. статей ученых всего мира. Эрасто Мпемба объявил победителем Николу Бреговича из университета Загреба. Брегович предложил две причины для эффекта – более холодный образец переохлаждается, а не замораживается, и расширенная конвекция в более теплом образце ускоряет охлаждение за счет поддержания градиента тепла на стенках контейнера.

Пока что наиболее популярным объяснением остается испарение: горячая вода испаряется быстрее холодной, поэтому объем ее уменьшается немного быстрее, облегчая замерзание.

Но эффект Мпембы также демонстрировался и в условиях, исключавших испарение.

Новое объяснение предложили недавно исследователи из Южного методистского университета в Далласе (США) и Нанкинского университета (Китай), статью которых опубликовал Journal of Chemical Theory and Computation.

mpemba

Авторы смоделировали поведение короткоживущих кластеров молекул воды, объединенных водородными связями, при разных температурах. Водородные связи намного (примерно в 18-20 раз) слабее обычных ковалентных химических взаимодействий, однако сила их зависит от геометрии взаимного расположения молекул, между которыми эти связи образуются.

По мере нагревания водородные связи ослабевают и, как показало моделирование, молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, только энергии на разрыв водородных связей требуется больше – и замерзание, соответственно, должно проходить медленнее.