Парадокс Мпембы, или почему горячая вода замерзает быстрее

[Andrew Seemann]

Парадокс Мпембы, замеченный чернокожим школьником-любителем мороженого, наконец, получил строгое объяснение.

Иногда горячая вода замерзает быстрее холодной. На этот эффект обращали внимание еще древнегреческие философы, но долгое время он оставался забытым. В поле современной науки его ввел... африканский школьник Эрасто Мпемба. В 1963 г. он обратил внимание на то, что горячая смесь мороженого застывает быстрее холодной, а в 1969 г. опубликовал статью, посвященную феномену, который впоследствии так и назвали – эффектом Мпембы.

С тех пор было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот парадокс по отдельности или вместе. Во-первых, горячая вода быстрее испаряется, тем самым уменьшая свой объем и ускоряя замерзание. Во-вторых, на холодной воде может быстро образовываться тонкий замерзший слой, который изолирует ее и снижает скорость охлаждения остального объема. В-третьих, роль такого изолятора (в случае с мороженым) может играть слой изморози на стенках морозильной камеры. Горячая вода растапливает его, чем обеспечивается лучший контакт с холодными стенками и более быстрое охлаждение. Наконец, свою роль могут играть растворенные в воде вещества. В горячей воде растворение идет лучше, и при охлаждении в ней появляется больше центров кристаллизации, облегчающих замерзание.

Впрочем, что же именно происходит, до сих пор не было известно. Работу Мпембы подхватили физики сингапурского Наньянского технологического университета во главе с Си Чзаном (Xi Zhang). Им, наконец, удалось объяснить парадокс, связав его со свойствами самой воды.

Вспомним, что молекула воды состоит из атома кислорода, который с помощью ковалентной связи удерживает два атома водорода. Кислород частично оттягивает на себя электроны от водородов, так что молекула представляет собой слабый «магнит». В результате отдельные молекулы воды в жидкости слабо притягиваются друг к другу, связываясь водородной связью – прочность ее примерно в 18 раз ниже, чем у ковалентной связи.

По мнению сингапурских ученых, дело именно в водородных связях. Чем плотнее друг к другу находятся молекулы воды, тем сильнее их межмолекулярные взаимодействия деформируют ковалентные связи внутри самих молекул. А вот если воду нагреть, расстояние между связанными молекулами слегка увеличивается. Это приводит к тому, что ковалентные связи внутри молекул релаксируют, отдавая лишнюю энергию и тем самым переходя на более низкий энергетический уровень. В результате горячая вода уже сделала свой первый шаг к ускоренному охлаждению. Во всяком случае, теоретические расчеты, проведенные командой Си Чзана, подтверждают эту версию.

@темы: физика, статьи

Comments

[BlameMe]

Температура в современная физике - очень непонтная вещь. С школьным материалом вообще ничего общего.

[Andrew Seemann]

BlameMe, температура - это следствие перехода количества в качество. Естественно, она проявляется только в макромире

[BlameMe]

Andrew Seemann, что значит, в данном случае, "переход количества в качество"?

[Andrew Seemann]

BlameMe, термодинамика - попытка описания системы большого числа частиц с множеством переменных параметров несколькими абстрактными. Температура, теплота, энтропия и тд. Если бы мы были охуеть какие всевидящие и всезнающие, то мы бы пытались все описывать более фендаментально, при помощи квантовой теории или там М-теории

[BlameMe]

Andrew Seemann, ну есть ведь подходы к описанию температуры с точки зрения квантовой механики.

[Кангэно Сёши]

Andrew Seemann, В этом случае мы спокойно и не напрягаясь выводили бы конкретные числа с помощью Универсальной Общей Теории Всего.

[BlameMe]

Есть много различных воззрений на редукционизм. Не факт что можно создать такую идеальную теорию.

[Andrew Seemann]

BlameMe, зачем в квантовой механике температура, если есть энергия? Тем более доказано, что термодинамика при попытке использования квантовой механики остается такой же самой.

Кангэно Сёши, но так как мы лысые макаки, то приходится извращаться и упрощать. Увы.

[BlameMe]

Andrew Seemann, чтобы описывать температуру? То же возникновение абсолютно отрицательной температуры, не? Не как параметр самой квантовой механики, наветное, а как эмерджентное явление.

[Andrew Seemann]

BlameMe, какое определение температуры в квантовой механике?

[BlameMe]

Andrew Seemann, эмерджентное явление. Точнее не скажу, я ж не специалист. Статистическое распределение энергии в системе?

[Andrew Seemann]

BlameMe, вообще эта температура по ходу введена чисто формально в случае этих ваших лазеров, так что такие дела.