Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Школьник Эрасто Мпемба из жаркой Танзании задал головоломку физикам всего мира. Он провел простенький эксперимент, неоднократно повторенный впоследствии во многих лабораториях, — поставил в холодильник два стакана с водой: один подогретый, другой при комнатной температуре. И оказалось, иногда горячая вода замерзает быстрее.

Объяснение первое: при нагревании из жидкости выделяются растворенные газы, а именно они служат теплоизолятором и замедляют остывание. Однако опыты в вакууме с негазированной водой дали тот же результат — теплое замерзало быстрее холодного.

Объяснение второе: нагретый сосуд, помещенный в рефрижератор, расплавляет изморозь и смазывается снизу жидкой пленкой. Мол, поэтому тепло через нее отводится значительно стремительнее, чем через иней, на котором стоит другой сосуд. Но опыты с асбестовой сухой подкладкой, почти не проводящей тепло, опровергли и эту гипотезу.
Наконец, третье объяснение. Скорость охлаждения тела прямо пропорциональна температуре его поверхности, а жидкость в открытом сосуде охлаждается преимущественно с верхнего слоя, который все время поддерживается «горячее» нижележащих. Теряя теплоту за счет испарения быстрых молекул, он уменьшается в объеме, утяжеляется и тонет, а наверх всплывают самые нагретые слои. Круговорот тем активнее, чем резче перепад температур. Быстрее и остывание.

Но и этот ответ требовал уточнений. Пришлось термодинамикам идти на поклон к ЭВМ.

Еще Ньютон сформулировал незыблемый закон: два закрытых сосуда с одинаковой жидкостью будут охлаждаться по одной и той же термодинамической кривой, и скорее замерзнет тот сосуд, который вначале был холоднее. Дело меняется, если перемешиванию газа над сосудом не препятствует крышка. Поскольку нагретая жидкость испытывает значительное испарение, то теряются теплота и масса, наблюдается очень сложный теплообменный баланс. Расчет показывает: дольше всего не поддается морозу вода при комнатной температуре (23°С). При иных градусах, как ниже, так и выше, она может замерзать заметно охотнее.

Не потому ли в северных странах издавна ледяные горки поливаются горячей водой. Ведь в народных обычаях нет рекомендаций необоснованных, противоречащих природе.

И лишь после публикации массы статей о «Мпемба-физике» вспомнили, что еще 350 лет назад знаменитый английский мыслитель Фоэнсис Бэкон публично утверждал: «Теплая вода замерзает быстрее холодной». Его же подняли на смех, никто не верил в столь странное поведение такой с виду простенькой и привычной жидкости. А зря! Философ как в воду глядел.

Оставить комментарий

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
OERU.ru