Почему горячая вода замерзает быстрее? Эффект Мпембы

Например, вопрос о том, почему чайник шумит при закипании, приводит, в конце концов, к такой серьезной инженерной проблеме, как кавитация. Уменьшение кавитации, происходящей на винтах судов или на лопатках турбин, повышает срок службы этих устройств и делает их работу эффективной.

С другой стороны, в некоторых случаях кавитацию стараются повысить — например, при ультразвуковой чистке деталей или при разбивании камней в почках. Или при ультразвуковом же растворении жира в теле, что является мечтой едва ли не каждой женщины.

«Детские» вопросы хороши еще тем, что заражают серьезных ученых «вирусом» любопытства. Любопытство — одна из причин, побуждающих их к научной деятельности. Любопытство — фермент, оживляющий бег мысли. Без любопытства господин профессор превращается в бронзовый памятник, с любопытством — бегает непослушным мальчишкой, смеется и щупает то, что, казалось бы, трогать руками строго запрещено. Иногда такое поведение может привести к открытию, иногда — нет. Но всегда прививка любопытства ужасно приятна господину профессору.

Это событие произошло давным-давно, в 1963 году, в далекой африканской стране Танганьике, которая через год объединилась с Занзибаром и стала называться Танзанией. Школьник Эрасто Мпемба выполнял задание по кулинарии (были в их школе такие уроки). Надо было приготовить молочное мороженое: смешать на огне молоко, воду и сахар, остудить и поставить в холодильник, чтобы получить ледышку. Один из стаканчиков с приготовленной смесью Мпемба поставил в холодильник, не охладив как следует. К его удивлению, именно этот стаканчик замерз и превратился в мороженое первым.

Горячая жидкость остыла быстрее холодной? Это кажется невероятным! Строго говоря, это нарушение фундаментального закона термодинамики за номером 1!

Не удивительно, что учитель физики, которому Эрасто рассказал о своем парадоксальном эксперименте, поднял его на смех. Но школьник был упрям и памятлив. Когда в их школу пригласили из столичного университета профессора физики Дениса Осборна (Denis G. Osborne), чтобы он прочитал лекцию школьникам, мальчик рассказал новому преподавателю о своем нетривиальном эксперименте.

Осборну самому стало любопытно. Вернувшись в университет, он поставил несколько экспериментов и обнаружил, что Эрасто Мпемба прав: горячая вода замерзала быстрее холодной. Результаты своих исследований он опубликовал в 1969 году. Автором статьи был также Эрасто Мпемба, который тогда уже учился в одном из местных колледжей.

В жаркой Африке никто не заливал зимой дворовых катков для юных конькобежцев и хоккеистов. Потому и не знали здесь о маленькой хитрости, известной в далекой России: каток надо заливать горячей водой — быстрее застынет. Еще одно проявление «эффекта Мпембы»!

Так танзанийский школьник стал известен еще до того, как закончил школу. Ученые же физики продолжали исследовать странное поведение горячей воды при нагревании. И продолжают. Дело в том, что до сих пор нет объяснения эффекта Мпембы, которое удовлетворило бы всех ученых.

Простая на вид задача оказалась недостаточно четко сформулированной. Во-первых, что такое «точка замерзания воды»? Во-вторых, можно ли сказать, что холодная и горячая вода отличаются только начальной температурой? Может быть, есть и другие физические отличия, которые коррелируют с температурой воды и как раз и определяют, какая из жидкостей, горячая или холодная, застынет быстрее?

В общем, сейчас существует несколько объяснений странного поведения нагретой воды при замерзании:

1. Горячая вода испаряется интенсивнее, чем холодная. Испаряющаяся вода в холодном воздухе превращается в мелкие кристаллики льда, которые падают в сосуд с водой и по мере охлаждения воды становятся зародышами будущих льдинок.

2. Или же испарение горячей воды уменьшает общий объем воды в сосуде. Меньшее количество воды остывает быстрее.

3. Еще одно объяснение опирается на то, что в горячей воде меньше центров последующей кристаллизации, воздушных пузырьков или пылинок. В результате этого горячая вода при охлаждении некоторое время не замерзает, переохлаждается, а затем застывает очень быстро, почти мгновенно.

4. В горячей воде расстояние между молекулами становится больше, поскольку кинетическая энергия каждой молекулы вырастает. В результате этого потенциальная энергия связи между двумя молекулами тоже возрастает. При охлаждении воды, когда молекулы сближаются, запасенная энергия высвобождается и выделяется в пространство, вызывая дополнительное охлаждение.

5. И точка зрения прямо противоположная. По мере нагревания связи между молекулами воды ослабевают, и они занимают позиции, более близкие к тем, в которых находятся, когда образуются кристаллы льда. Когда температура воды достигает точки кристаллизации, дополнительной энергии на разрыв прежних связей уже не требуется и лед образуется быстрее. Если же до температуры кристаллизации остывает холодная вода, требуется некоторое время и некоторая энергия для того, чтобы разорвать прежние связи.

6. Наконец, есть и такое мнение: эффект Мпембы — псевдоэффект. Если провести эксперимент так, чтобы устранить все посторонние влияния (одинаковые объемы воды, один ее химический и физический состав, одинаковые материалы сосудов, в которых происходит охлаждение, специальный холодильник), то более горячая вода будет застывать позже, чем более холодная. Первое начало термодинамики спасено! Ура!

А что же наиболее интересно в эффекте Мпембы для нас? Да то, что любопытство — движущая сила любого знания. А также то, что не следует стесняться задавать «детские» вопросы, на которые, бывает, и умные ученые не смогут дать однозначного и простого ответа. Поскольку, по словам Эйнштейна, вынесенным в эпиграф, и сами недостаточно четко понимают природу некоторых, казалось бы, простых веществ. Таких, как, например, обычная вода.