4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная

Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная?

А знали ли вы, что горячая вода быстрее замерзнет в морозилке? Если нет, то мы сейчас объясним почему так происходит.

Для подтверждения этого феномена, можно для примера рассмотреть трубы с горячей и холодной водой. На сильном морозе трубы с кипятком – замерзнут быстрее. Такое явление вы можете наблюдать каждую зиму.

Содержание

То, что горячая вода остывает быстрее, упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла, но никак не повлияет на последующее замораживание. В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

Статья в тему:  Сколько чука может храниться в холодильнике

Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. Условия эксперимента описываются следующим образом: 70 мл воды в 100 мл лабораторных стаканчиках на пенопластовых листах помещались в морозильную камеру бытового холодильника; чаще всего эффект наблюдался когда один образец имел начальную температуру в 25 °C, а другой 90 °C. Так же они установили, что существенными факторами не являются, как испарение жидкости, так и влияние растворенных в воде газов.
В 1969 году в журнале « Physics Education [en] » вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект [1] . В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в « American Journal of Physics [en] » [2] .

На берегу

Ночь была ясной и холодной, температура воздуха была минус 2 градуса по Цельсию, но от сильного ветра казалось, что гораздо холоднее. Пропитанная морской водой одежда быстро замерзала на рыбаке.

Несмотря на адский холод, Фридторассон остановился, чтобы перевести дух. Перед ним оказалось нечто вроде корыта с водой, оставленного здесь для овец. Рыбак пробил сантиметровый лед и начал жадно пить.

На первый взгляд, наверное, странно, что чудом выжившему в море хотелось напиться ледяной воды. Но при температурах воздуха ниже нуля обезвоживание — известная и серьезная проблема.

Статья в тему:  Как хранить помидоры и огурцы без холодильника

Мороз высушивает воздух, и с каждым выдохом, который делал рыбак, он терял из легких необходимую организму влагу (вспомните, как наше дыхание превращается в пар на морозе).

Однако холод притупляет ощущение жажды, и из-за этого многие не понимают, что их организму нужна вода. А если вы прикладываете физические усилия к тому, чтобы не замерзнуть, это быстро ведет к обезвоживанию.

Фридторассон, к счастью, нашел питьевую воду. Однако теперь для него самой большой проблемой стала мокрая одежда. Риск гипотермии (когда температура тела падает ниже 35 градусов) был велик.

«Когда вы вылезаете из воды, влага начинает испаряться, и вам становится еще холоднее, — объясняет Майк Типтон, профессор физиологии Портсмутского университета. — Тепло быстро покидает ваше тело».

Автор фото, Getty Images

Французский солдат растапливает снег на учениях

В нормальной ситуации вы просто разденетесь и наденете на себя сухую одежду. Когда такой одежды нет, наилучший вариант — спрятаться в большой пластиковый мешок, чтобы снизить испарительное и конвективное охлаждение.

«При температуре воздуха 4 градуса одежда, содержащая литр воды, начнет высыхать, и испарение воды приведет к понижению температуры вашего тела на 10 градусов по Цельсию, — продолжает профессор. — Если же при тех же условиях поместить человека в непродуваемый пластиковый мешок, его тело начнет подогревать воду, которой будет некуда испаряться. И температура тела снизится лишь на полградуса».

Статья в тему:  Сколько хранятся сушеные грибы в холодильнике

Пока Фридторассон напрягал мышцы, в его теле сохранялось тепло. Но вот он остановился — и тепло стало уходить. Пока у него оставались силы, а у его организма — калории, ему приходилось двигаться, не останавливаясь.

«Человек на холоде — совершенно необязательно замерзший человек, — подчеркивает Типтон. — Если вы двигаетесь и относительно хорошо изолированы от холода, ваше тело будет вырабатывать достаточно тепла, чтобы вы не замерзли».

«При серьезной физической нагрузке вы можете [какое-то время] находиться на морозе в шортах и футболке. Даже когда вы дрожите, это можно рассматривать как легкое физическое упражнение».

Но не всегда это возможно. Например, по словам Типтона, альпинисты под вершиной Эвереста способны делать лишь один шаг за каждые 10 секунд, поэтому сохранять тепло на больших высотах очень трудно.

Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)

От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.

Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.

Статья в тему:  Почему не включается холодильник самсунг

На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.

История вопроса

Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.

Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.

В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.

Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).

Статья в тему:  Свинка которая хрюкает в холодильнике

Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.

Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.

Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)

Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.

Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.

в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.

Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.

Статья в тему:  Как переделать холодильник на 12 вольт

Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.

Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.

Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!

В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.

Почему новое объяснение лучше предыдущих?

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).

Статья в тему:  Где должен стоять телевизор по фен шую

Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.

Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.

Как бы то ни было, теория у них интересная.

P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).

Дистиллированная вода замерзает при -42℃

После прохождения нескольких этапов очистки она уже не содержит в своем составе примеси и прочие компоненты, которые могли бы стать ядром кристаллизации при замерзании. Поэтому образование льда в такой воде происходит только при температуре -42 градуса.

Современным ученым удалось настолько очистить воду, что она начинала мерзнуть только при температуре -70 градусов Цельсия. Благодаря этому невероятному свойству ее назвали переохлажденной.

Кстати, если добавить в дистиллированную жидкость немного снега, песочка или льда, то она мгновенно замерзнет под действием низкой температуры (образуя красивые длинные кристаллы).

Статья в тему:  Как правильно выбрать холодильник 2017

Парадокс Мпембы

В 1963 году африканский школьник заметил, что горячая смесь мороженного в морозильной камере застывает быстрее, чем холодная. Он не получил ответа на этот вопрос от школьного учителя физики, но смог задать его профессору физики Деннису Осборну. Эксперимент проведенный с водой доказал наличие эффекта. В данном случае две пробы воды объемом 70 мл с температурой 25 и 90 о С помещались в одинаковых стаканчиках в морозильную камеру бытового холодильника на пенопластовых листах.

Далее Осборн и Мпемба провели ряд экспериментов, результаты которых были опубликованы в 1969 году журнале Physics Education .

Главные тезисы статьи приведем ниже.

Поскольку охлаждение начинается преимущественно с верхней поверхности жидкости, то скорость охлаждения зависит от температуры именно этой поверхности, а не от средней температуры жидкости, а процессы конвекции поддерживают эту температуру. За счет этого скорость потери тепла для системы с более высокой изначальной температурой тоже будет выше, чем для изначально более охлажденной системы. Это утверждение является спорным, поскольку перед замерзанием вода должна пройти промежуточные температуры, но с учетом влияния температурного градиента, авторы допускали, что можно упустить это утверждение. После этого явление стало активно обсуждаться исследователями и обрело название “эффект Мпембы”.

На рисунке изображена зависимость скорости замерзания от исходной температуры воды.

Объяснения эффекта Мпембы

Ответ на вопрос о том, почему горячая вода быстрее замерзает, люди искали полстолетия. Было опубликовано сотни научных работ по этому поводу, но только через 54 года был получен окончательный ответ.

Статья в тему:  В холодильнике тепло что делать

В 2013 году Королевское химическое сообщество Великобритании пообещало выдать премию в 1000 фунтов тому, кто объяснит эффект Мпембы. Лучшим ответом было эссе Никола Бреговича из Университета Загреба в Хорватии. Он просуммировал основные исследуемые ранее теории и описал их.

В 2016 году группа ученых опубликовала материалы исследований, которые отрицали наличие данного парадокса. Обьяснение самого эффекта основывалось на погрешности исследований.

Казалось бы научный мир должен успокоиться, но не тут то было, и в 2017 году совместное исследование группы ученых из Китая и США объясняет явление водородными связями в кластерной структуре воды.

Что ещё вы не знаете о воде

Всем известно, что вода является источником жизни, человек на 70% состоит из воды и не может прожить без неё долго, она имеет три состояния и состоит из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Мы расскажем о воде то, о чём вы даже и не подозревали.

1. Существует около 1500 разновидностей воды.
2. Вода имеет 14 состояний в твёрдой форме и 5 в жидком виде.
3. Горячая вода замерзает быстрее холодной.
4. Самых холодный лёд в Антарктике, а самый тёплый – в Альпах (температура составляет 0°C).
5. Около 80% всех заболеваний передаются через воду.
6. Новорожденные младенцы на 80% состоят воды, а старики на 50%. Медузы на 99% 🙂
7. Вода в океанах синяя из-за рассеянного потока света.
8. В Азербайджане есть вода, которая воспламеняется из-за большого количества метана в составе.
9. А в Алжире существует озеро, воду которого можно использовать в качестве чернил.
10. Согласно данным ЮНЕСКО, самая чистая вода в Финляндии.

Статья в тему:  Почему на телевизоре не работает рутуб

В Финляндии и в нашем интернет-магазине Водовоз.RU 😉 Мы рады привезти вам качественную дому к порогу вашего дома или офиса. Заказать воду можно по телефону или через сайт.

  • Возврат к списку

Советуем также почитать

Какие продукты лучше есть с утра?

Не стоит недооценивать силу завтрака и уделять ему мало внимания

Какие продукты всегда должны быть в холодильнике?

Решение есть! Можно составить список продуктов, которые обязательно должны быть у Вас под рукой, чтобы всегда было чем угостить гостей или порадовать себя!

Какие продукты необходимо употреблять каждый день здоровому человеку, чтобы максимально восполнять запас всех нужных витаминов, макро и микроэлементов и т.д.?

Давайте узнаем, что это за волшебные продукты, которые должны быть в ежедневном рационе питания каждого человека.

Написать комментарий:

Новости

Уход, который всегда под рукой!

Закажи один спрей, а второй получи всего за 1 рубль!

Натурально! Полезно! Незабываемо!

Скидка 20% на ассортимент фермерского мёда «Слёпушкино»

«Архыз» — идеальная вода на каждый день!

Горная питьевая вода для всей семьи!

«ALV” — инновационная косметика для здоровья волос!

Химические эффекты

Некоторые вещества способны ускорять процессы замерзания за счет изменения скорости теплообмена. С такой целью можно использовать:

  • поваренную соль;
  • лимонных сок;
  • аммиачную селитру.

При высокой концентрации соли раствор будет застывать хуже, то же происходит при наличии большого количества примесей. Поэтому использовать лучше фильтрованную жидкость, такая превратится в лед гораздо быстрее. Но при правильном применении крупная пищевая соль станет полноценным катализатором реакции. Когда общая масса залитой в форму воды сильно охладится, начнет менять свою структуру, можно просто добавить в каждую ячейку по одной крупинке. Они станут центром кристаллизации, затвердеет вода быстрее. При этом на вкусовых качествах это никак не отразится.

Статья в тему:  Как будет по английски хранить в холодильнике

Аналогичным образом можно использовать лимонную кислоту или сок цитрусовых. При этом легко менять вкус льда, добавляя больше или меньше. Но экспериментировать лучше со свежевыжатым соком, а не пакетированным. В нем нет сахара, который тормозит процесс замораживания.

Если кислоты будет слишком много, она может выпасть в осадок. Поэтому лучше не добавлять больше 1 процента от общей массы.

Увеличивает скорость реакции и аммиачная селитра. Она активирует процессы кристаллизации в общей массе воды. Достаточно 0,5 процента от исходного количества, чтобы заморозка прошла в 3 и даже 4 раза быстрее. Растворять вещество нужно в хорошо охлажденной жидкости, тщательно перемешивая. Такой лед нельзя будет использовать в пищу. Он хорош как наполнение для декоративных ваз или емкостей. Его можно положить в мешочек для индивидуального использования, например, для замораживания ушибов. Такой лед тоже будет быстро таять за счет селитры, которая быстро поглощает тепло и аккумулирует его в кубиках. Но таким образом, можно заморозить большой объем в крупных формах.

Моментально заморозить лед несложно. Даже если нет специальной формы, можно использовать обычный полиэтиленовый пакет, налив тонкий слой воды. Простая жидкость замерзнет намного быстрее, если добавить немного лимонной кислоты или поваренной соли. Но нужно понимать, что маленькие кубики растают намного быстрее и в напитке. Поэтому, если нужны крупные формы, например, для виски или детского коктейля, лучше потратить время на заморозку обычных кубиков или шариков.

Статья в тему:  Какая мощность у холодильника бирюса

Чтобы лед быстро заморозился, не нужно использовать дорогие морозильные камеры с супер-заморозкой. Просто нужно знать несколько небольших хитростей, которые позволят сделать кубики льда быстро. При этом они будут чистыми и прозрачными, как в любом ресторане.

В первую очередь, для заморозки необходима только чистая фильтрованная вода. Обычная вода из-под крана не подойдет, так как в ней содержится большое количество различных примесей, которые во время заморозки никуда не удаляются. Соответственно, лед получится не прозрачным, а белым и мутным.

В случае, когда необходима быстрая заморозка, подойдет довольно простой и надежный способ. Для этого в чистую форму для льда набирают воды ровно столько, чтобы она покрывала только дно каждой формочки. После замерзания (а это происходит достаточно быстро), доливают еще немного воды, чтобы она занимала только половину объема формы. Процедура с морозилкой повторяется. И только после замерзания воду доливают до краев – теперь останется подождать всего несколько минут, пока лед станет прочным и прозрачным.

Существует еще один секрет быстрого замораживания воды. Оказывается, нужно брать не холодную, а достаточно горячую воду. Все знают, что при остывании горячая жидкость выделяет пар, поэтому оставшаяся в формочках вода замерзает намного быстрее. Это простое физическое явление, о котором знает каждый, кто учился в школе, но почему-то на практике свои знания применяют немногие.

Статья в тему:  Какие телевизоры поддерживают dvb-t2

И последний важный момент – это температура морозильной камеры. Сейчас даже в бытовых холодильниках есть функция быстрой заморозки и понижения температуры до минимальных значений. Благодаря этому можно быстро и легко заморозить даже несколько форм с кубиками льда за минимальное время. Проверить качество заморозки можно визуально. Если лед еще недостаточно замерз, то в центре кубика будет виден большой пузырь. Подождите еще минут 10-15, и лед будет полностью готовым.

От контакта с холодной поверхностью в морозилке, горячая вода будет охлаждаться и замерзать со дна, в то время как холодная покроется корочкой льда сверху, что затормозит процесс замерзания.

Так же, горячая вода будет испаряться, а раз объём воды уменьшается, то и замерзнет она быстрее.

*в герметичных контейнерах холодная вода замерзнет быстрее.

Интересно, что изначально этот процесс назывался эффектом Мпембы (Mpemba Effect), который был обнаружен танзанийском школьников в 1963 г, во время выполнения школьного проекта (интересно наверно учиться там, в Танзании).

Эффект был в том, что при одинаковых количествах горячей воды и холодной воды в двух соответствующих одинаковых сосудах в холодильнике, замерзает тот сосуд первым, в котором была горячая вода.

Оказывается, что эффект этот был известен со времен Аристотеля, и свое решение этой задачи даже имел Ренэ Декарт. В 2012 г Королевское Химическое Общество даже объявило конкурс на самое лучшее объяснение этого эффекта. Результатом конкурса были около 20000 заявок-объяснений.

Статья в тему:  Почему в холодильнике пахнет ацетоном

Финальная точка все же была поставлена в 2016 г, в статье ученых из Кембриджа, опубликованная в Scientific Reports, где впервые с высокой достоверностью был проверен эффект Мпембы. Результат нулевой.

Такого эффекта нет, и горячая вода замерзает, как и положено ей, позже холодной воды. Задача, которой около 2500 лет, оказалась некорректной.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector