Почему горячая вода замерзает быстрее холодной: при какой температуре застывает кипяток

Может ли замерзнуть?

Ответ прост: да, может. Кроме того, кипящая вода замерзнет быстрее, чем холодная.

Попытки объяснения

С тех пор было предложено множество объяснений, чтобы попытаться объяснить это явление. Но ни одна из них не была более чем правдоподобно звучащими теориями.

Вот некоторые из них:

Теория: конвекционные токи в горячей воде, вызванные большой разницей температур, заставят ее остывать быстрее. И эти конвекционные потоки продолжаются даже после того, как вода остынет до той же температуры, что и более холодная вода. Это позволит ему преодолеть самую холодную воду при замерзании.
Проблема: вода — довольно вязкое вещество. И такие конвекционные потоки не будут течь столько времени, сколько потребуется для охлаждения воды.

Теория: горячая вода испаряется. Меньше оставшейся воды означает меньше воды для замораживания.
Проблема: даже при испарении горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Теория: горячая вода создает конвекционные потоки в воздухе внутри морозильной камеры. Что увеличивает его эффективность охлаждения.
Проблема: вы можете поэкспериментировать с горячими и холодными противнями в одной морозильной камере. А заодно понаблюдайте, как горячий противень замерзает быстрее, чем холодный.

Теория: Холодная вода замерзает слоем сверху, создавая изоляцию и не позволяя остальной части очень быстро остыть.
Проблема: горячая вода также образует этот слой льда.

Экспериментальные проблемы велики. Потому что нужно проверить так много переменных. Помимо начальной температуры, существует также форма морозильной камеры, объем и форма контейнера, изолирующие свойства контейнера, твердые вещества, растворенные в воде, и так далее

До публикации исследования Сингапурского университета наиболее правдоподобная работа была проделана заинтересованным неспециалистом Джеймсом Браунриджем. Кто предположил, что отопление воды меняет характер ее примесей. Что, в свою очередь, меняет точку замерзания. Он отметил, что большая часть воды фактически переохлаждена до температуры ниже 0 ° C. Однако она не начинает кристаллизоваться, пока температура не станет значительно ниже.

Эффект Мпембы в реальной жизни

Вы когда-нибудь задумывались, почему каток зимой наполняется теплой, а не холодной водой? Как вы уже понимаете, они делают это потому, что наполненный горячей водой каток замерзнет быстрее, чем если бы он был наполнен холодной водой. По этой же причине горки в зимних ледяных городах залиты теплой водой.

Таким образом, знание о существовании явления позволяет людям сэкономить время на подготовке площадок для занятий зимними видами спорта.

Кроме того, эффект Мпемба иногда используется в промышленности для сокращения времени замораживания продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.

При какой температуре вода замерзает

Почему замерзает вода? Содержит определенное количество минеральных или органических частиц. Это, например, могут быть очень мелкие частицы песка, пыли или глины. Когда температура воздуха падает, эти частицы становятся центрами, вокруг которых образуются кристаллы льда.

Роль зародышей кристаллизации также могут играть пузырьки воздуха и трещины в емкости с водой. На скорость процесса превращения воды в лед во многом влияет количество таких центров: если их много, жидкость замерзает быстрее. В нормальных условиях, при нормальном атмосферном давлении вода переходит в твердое состояние из жидкости при температуре 0 градусов.

Последние исследования

Недавно исследователи из Сингапурского университета предложили, пожалуй, наиболее правдоподобное объяснение эффекта Мпемба.

Новое исследование говорит, что на самом деле этому эффекту есть химическое объяснение. Что математически соответствует наблюдаемым данным. И, возможно, это первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, прикрепленных к одной молекуле кислорода. В основном из-за сильных ковалентных связей. Обычно ковалентные связи при нагревании размягчаются и растягиваются. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей взаимодействия между атомами водорода в молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле происходит обратный эффект. Когда вода поглощает энергию, водородные связи растягиваются. Заставляет отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга. Но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и прочнее. То же самое происходит при замерзании воды.

Следовательно, на молекулярном уровне нагретая вода больше похожа на замороженную, чем на исходную более холодную воду. Что еще более важно, скорость, с которой энергия высвобождается в этих сжатых ковалентных связях, экспоненциально зависит от того, сколько энергии было изначально сохранено. Фактически, у горячей воды есть подобная источнику энергия, которая высвобождается, когда вы начинаете ее охлаждать, что позволяет ей быстрее остывать и замерзать.

Что быстрее: кипящая или холодная H2O?

Ученые провели множество экспериментов и показали, что сначала кристаллизуется кипящая вода.

Если вы одновременно поместите в морозильную камеру две емкости одинакового объема и формы с кипящей водой и простой водой, то кипящая вода первой превратится в лед.

Хотя, если следовать логике, она должна сначала остыть, а уже потом кристаллизоваться. Но это не так.

Стоит отметить, что подобный эффект люди наблюдают давно. На это указывал Аристотель в своих заметках, Р. Декарт интересовался этим явлением. Однако в то время мало кто занимался глубоким изучением этой проблемы; это не представляло особого интереса для ученых.

Углубленное исследование этого предмета было инициировано любопытным школьником из Танзании, который обнаружил в повседневной жизни, что нагретая жидкость, будь то молоко или вода, кристаллизируется быстрее. В 1969 году профессор Д. Осборн провел эксперимент, подтвердивший его способности претензии. С этого момента явление получило имя своего «первооткрывателя» и стало называться эффектом Мпембы.

Почему каток заливают горячей водой?

Ученые выяснили, что если активировать дополнительное механическое средство подачи воды в горячую и холодную тару, охлажденная вода замерзнет намного быстрее. Это связано с тем, что не образуется плотная ледяная корка.

Почему каток наполняется горячей водой:

• Химики также пытались объяснить этот парадокс тем, что внутри нагретой жидкости находятся растворенные вещества, которые оседают на дно, а чистая вода оказывается сверху. Всем известно, что физраствор затвердевает при более низкой температуре, чем дистиллированная вода.
• Итак, они попытались объяснить этот парадокс. В результате охлажденная вода более жесткая, в ней содержатся ярко выраженные ионы во всем объеме. В этом случае в горячей жидкости растворенная соль предпочтительно находится в нижней части раствора.
• За счет этого верхняя часть быстрее застывает, передавая пониженную температуру нижним слоям жидкости.

Морозный день

Почему?

Пока не удалось полностью объяснить и понять это явление, но среди ученых существует достаточно противоречий по этому поводу.

Однако некоторые предположения остаются верными:

1. 
   Во время кипения происходит испарение и происходит уменьшение объема воды, а значит, активизируется процесс кристаллизации, т.е он ускоряется.
2. Растворенные в воде газы испаряются, поэтому плотность кипящей воды выше, чем плотность воды при комнатной температуре. Известно, что высокий процент плотности способствует скорости охлаждения.
3. Замерзание горячей воды начинается снизу, а верхний слой поверхности остается свободным. Это позволяет процессам конвекции и теплового излучения не останавливаться и не замедляться. В воде в нормальном состоянии сначала замерзает верхняя поверхность, что препятствует выделению тепла.

Есть и другие версии, объясняющие парадоксальное явление. Один из них был предложен Вашингтонским ученым Д. Кацем. По его словам, в процессе кипячения вода меняется с «жесткой» на «мягкую».

Некоторые вещества, такие как бикарбонат магния и кальция, оседают при нагревании и не препятствуют кристаллизации. Поэтому процесс замораживания кипятка происходит в несколько раз быстрее обычного.