Банных И.Е.
ФБ13-01Б
Эффект Мпемба
"В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная." Позже он установил, что вода обладает таким же свойством. В 1969 году вместе профессор Деннис Осборн совместно с Эрасто Мпембой опубликовали данные экспериментов с данным эффектом в журнале "Physics Education". [1]
Эффект Мпемба имеет место быть, когда два объема воды, идентичные по всем параметрам, кроме температуры, которая выше у одного из объемов, помещают в одну и ту же среду с температурой ниже ноля. В таком случае, изначально горячая вода замерзает быстрее. [2]
В теории, вода должна сначала охладиться, а затем осуществлять переход в твердое состояние, что для горячего тела займет больше времени, чем для уже охлажденного. Данный эффект показывает обратную закономерность.
Статья об эффекте Мпембы английского раздела Википедии предлагает такие объяснения явлению:
1. Испарение: испарение более теплой воды уменьшает массу воды, которая превращается в лёд. Испарение - эндотермический процесс, что проявляется в том, что объем воды теряет часть теплоты, которая уходит вместе с испарениями воды. Такое объяснение эффекта не претендует на полноту.
2. Конвекция. Ускоряющиеся переносы тепла. Охлаждаясь до 4 град по Цельсию, у воды уменьшается плотность, из-за чего подавляются конвекционные токи, охлаждающие нижнюю часть жидкой массы; низкая плотность горячей воды уменьшила бы этот эффект, возможно поддерживая быстрое начальное охлаждение. Высокая конвекция в теплой воде также может распространять кристаллы воды быстрее. 3. Лёд имеет изолирующие эффекты. Вода с низкой температурой будет замерзать сверху, уменьшая дальнейшие потери тепла излучением и воздушную конвекцию, в то время как теплая вода будет замерзать с низа и по краям из-за конвекции в воде. Такое объяснение вызывало бурное обсуждение, т.к. были эксперименты, учитывающие этот фактор. 4. Переохлаждение. Есть гипотеза, что холодная вода, помещенная в холодную среду, переохлаждается сильнее, чем горячая в таких же условиях, но при этом она становится твердой медленее, чем горячая. Однако, переохлаждение становится менее значительным, когда есть частицы, которые играют роль ядра для образования кристаллов льда, что влечет за собой быстро образование льда. 5. Растворенные вещества. Эффект растворенных в воде карбоната кальция, карбоната магния и др. 6. Теплопроводность. Контейнер с горячей жидкостью плавит слой льда под собой (иней становится изолятором, как уже упоминалось), из-за чего контейнер соприкасается с поверхностью холодильника, которая холоднее чем заранее охлажденная вода. Поэтому горячая вода замерзает быстрее. 7. Растворенные газы. В холодной воде может содержаться больший объём растворенных газов, чем в горячей, что может каким-то образом поменять свойства воды поотношению к потокам конвекции, такое мнение имеет некоторые экспериментальные основания, но не теоретические. [3]
Моё объяснение: эффект имеет место быть из-за того, что вода в состоянии близком к кипению находится также и в состоянии "предрасположенности" к фазовому переходу. То есть, "поймав" при 100°С воду в состоянии готовности к переходу, можно провести быстрое охлаждение.
Если так, то существует состояние перехода, в которое может войти вещество при достижении "пограничных" значений температуры, давления.
Если так, то состояние перехода определяется особенным расположением, взаимодействием частиц вещества (молекул, атомов).
2. Monwhea Jeng. The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold? [http://qoptics.byu.edu/Physics416/FirstReading.pdf], p. 1
3. Mpemba Effect: [https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect]