Qbik-club
Дата публикации:21.01.23 14:07; Автор:Евгений;{IssCat} Теги:, , ;

Что такое эффект Мпембы и что думают об этом учёные

На протяжении веков наблюдательные учёные от Аристотеля до Декарта питали подозрение, что — вопреки общепринятому мнению — горячая вода, каким-то магическим образом, может замерзать быстрее, чем холодная. Но не было научного консенсуса в отношении того, действительно ли это так. Проект Как всё работает попытался разобраться, что думают учёные на сегодняшний день и поставить точку в этом извечном споре.

Что такое эффект Мпембы и что думают об этом учёные

В 1963 году танзанийский студент-физик по имени Эрасто Б. Мпемба (произносится эм-пемба) возродил эту идею благодаря случайности, произошедшей, когда он готовил мороженое в своей школе. Казалось, он доказал то, о чём подозревали Аристотель и Декарт: горячая вода достигает точки замерзания быстрее, чем холодная. Он написал о своих наблюдениях в статье 1969 года, озаглавленной просто "Круто?" что дало начало термину "эффект Мпембы". Но был ли он прав? Действительно ли горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Что такое эффект Мпембы?

Эффект Мпембы — это физическая концепция, которая постулирует, что когда горячая и холодная вода помещаются в одинаковую среду замораживания, горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Эрасто Мпемба отметил, что, когда его класс готовил мороженое, он поместил почти кипящую смесь сахара и молока (которая в основном состоит из воды) в морозильную камеру. В итоге она застыла раньше других смесей, которые перед замораживанием были охлаждены до комнатной температуры.

Экстраполяция Мпембы из этого наблюдения заключалась в том, что когда одинаковые объёмы воды — один при температуре 100 ℃, а другой при температуре 35 ℃ — были помещены в одинаковые стаканы и помещены в морозильную камеру, вода при температуре 100 ℃ быстрее превращалась в лёд. Наблюдение Мпембы за мороженым и постулирование воды соединили его с учёными, которые на протяжении многих веков также подозревали это необычное свойство.

Понимание процесса замораживания

Когда вода замерзает, превращаясь в лёд, она претерпевает фазовый переход. Она превращается из жидкости в твёрдое вещество. Физики традиционно определяют фазу вещества, когда оно находится в равновесии. Это означает, что вещество находится в стабильном состоянии, и значительные количества энергии не пропускаются из одной области в другую. Это также означает, что его объём и температура остаются постоянными. Когда вещество не находится в равновесии, его энергетические уровни колеблются, как и состояние его материи.

Для того чтобы вода замёрзла и оставалась замороженной, отдельные частицы воды должны достичь равновесия. Если через неравновесную воду проходит слишком много энергии, она будет колебаться между твёрдым и жидким (при низких температурах) или жидким и газообразным (при более высоких температурах). Чем раньше частицы воды достигнут равновесия при низких энергетических уровнях, тем быстрее они смогут замёрзнуть.

График замерзания холодной и горячей воды
График замерзания воды при разных температурах жидкости.

Так горячая вода замерзает быстрее?

Физики всё ещё спорят о том, всегда ли горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Когда это действительно происходит, должны быть выполнены определенные условия.

Когда сосуд с водой погружается в замораживающую среду, разные части воды достигают равновесия в разное время. Вода по краям сосуда быстрее остывает, а это значит, что она может замёрзнуть, в то время как вода в середине сосуда останется жидкой. так же, когда вы помещаете сосуд с горячей водой в морозильную камеру, она активно выпускает пар из верхней части сосуда, и это уменьшает общий объем воды, который необходимо заморозить.

Кроме того, холодная вода (или даже вода комнатной температуры) часто образует слой инея на своей поверхности в процессе замораживания. По иронии судьбы, этот слой временно изолирует воду (примерно так же, как ледяное иглу изолирует своих обитателей от холодного воздуха), что может замедлить общий процесс замерзания. Горячая вода, по крайней мере на ранних стадиях, блокирует образование инея, что позволяет холодному воздуху проникать глубже в сосуд.

Эти факторы, возможно, объясняют, почему горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная.

Исследование, которое может доказать эффект Мпембы

Если и есть доказательства того, что эффект Мпембы реален и последователен, то это результаты исследования Джона Бечхефера и Авинаша Кумара, проведенное в 2020 году. Опубликованное в журнале Nature исследование подвергло микроскопические стеклянные шарики воздействию того, что они назвали "энергетическим ландшафтом", контролируемым лазерами. Исследователи нагревали шарики до разных температур. Затем они наблюдали, какая из бусин первой достигла состояния равновесия в этом энергетическом ландшафте.

Беххефер и Кумар заметили, что микроскопические шарики, которые образовались при высоких температурах, достигли равновесия быстрее, чем те, которые образовались при более низких температурах. Это достаточно интересно, но как достижение равновесия связано с замораживанием?

Связь проистекает из предыдущей работы, проделанной Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины и Ореном Разом из Научного института Вейцмана в Израиле. Их статья "Неравновесная термодинамика марковского эффекта Мпембы и его обратная сторона", опубликованная в PNAS и описанная журналом Quanta, постулирует, что более горячие системы материи могут быть способны пропустить вперед в процессе достижения равновесия, таким образом, достигая стабильного состояния быстрее, чем более холодная система.

Если склонность к равновесию является критическим ориентиром в процессе замораживания воды, то совместная работа Беххефера и Кумара вместе с Лу и Разом может доказать существование эффекта Мпембы.

Является ли эффект Мпембы доказанным научным фактом?

Эффект Мпембы не является общепризнанным научным фактом. Однако столетия наблюдений, а также недавняя работа Беххефера, Кумара, Лу и Раза убедили многих физиков в том, что при правильных обстоятельствах горячая вода действительно может достигать точки замерзания быстрее, чем холодная.

Некоторые учёные, такие как Гарри Барридж и Пол Линден, по-прежнему настроены скептически. Они признают, что, хотя некоторые сосуды с горячей водой могут замерзать быстрее, чем сосуды с холодной водой такого же размера, даже малейшее изменение условий эксперимента сводит все усилия на нет.

Собственное исследование Барриджа и Линдена, проведённое в 2016 году, "Подвергая сомнению эффект Мпембы: горячая вода не охлаждается быстрее, чем холодная", показало, что любое доказательство эффекта Мпембы зависит от размера сосуда для воды и расположения термометра. В отдельной работе исследователь Джеймс Браунридж обнаружил, что примеси в сосуде с водой (например, в смеси для мороженого Mpemba) изменяют температуру замерзания жидкости. Признавая, что бывают случаи, когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, эти учёные утверждают, что это явление неодинаково в природе.

Эффект Мпебы с вылитой на морозе кружкой горячей воды
Это слишком красиво, чтоб не добавить ещё одно фото! :)

Однако другие физики, такие как Рауль Рика Аларкон из испанского университета Гранады, считают, что Беххефер и Кумар совершили прорыв. Аларкон и другие считают, что это достаточно важно, чтобы определить точные условия, вызывающие эффект Мпемба. Они утверждают, что, описав условия, при которых горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, научное сообщество доказало, что эффект Мпембы является законным природным явлением.

Так же рекомендуем

Что бы произошло, если бы скорость света была намного меньше? Задавались ли вы вопросом, что было бы, если бы скорость света была на много меньше, чем есть сейчас? как оказывается, если бы свет двигался очень медленно, происходили бы довольно странные вещи...

4 ошибочных представления о квантовой физике. Дебаты о квантовой механике — будь то на форумах, в средствах массовой информации или в научной фантастике — часто могут вводить в заблуждение из-за ряда устойчивых мифов и заблуждений. Сегодня поговорим о четырёх из них...

Могут ли звездолёты, летя в разные стороны, преодолеть скорость света? Если мы отправим два звездолёта в противоположные стороны со скоростью света, то какова будет их скорость относительно друг друга? Неужели мы таким образом сломаем законы физики и заставим двигаться объекты относительно друг друга быстрее скорости света?

Понравилась публикация? Поделись ей с друзьями!

Понравился сайт? Подпишьсь на нас в соцсетях!

Мы в Telegram Мы Вконтакте Мы в Твиттер Мы на фейсбук Мы в одноклассниках

Длина имени: 0|40

Опубликовать
Мы понимаем, что всплывающие окна – это зло =( Но пока по-другому не получается предупредить вас об использовании куки-файлов на нашем сайте.
Закрыть