Sauap.orgНаукаОбразование

Эффект Мпембы: что это такое и как он выполняется

фото: https://ecologyofrussia.ru/ 
фото: https://ecologyofrussia.ru/ 

В природе много удивительных вещей. Многие из них на вид простые, но объяснить их с точки зрения науки не так-то просто. Вот и над эффектом Мпембы ученые ломают голову до сих пор.

Об этом «парадоксе» спорят уже довольно давно. Разные исследования даже сегодня дают различные данные. Так все-таки, существует ли такой эффект или это лишь ошибка экспериментатора?

Эффектом Мпембы называют противоречащее (на первый взгляд) естественно-научным законам явление, когда при соблюдении определенных условий горячая жидкость замерзает быстрее, чем та же самая жидкость в холодном состоянии.

Если сейчас вы возьмете два стакана — один с холодной водой, а другой с кипятком, — поставите их в холод и будете замерять через каждую минуту их температуру, то увидите, что горячий стакан в определенный момент начнет остывать быстрее холодного. Казалось бы, температура воды не должна влиять на скорость ее остывания, однако эффект Мпембы показывает, что это не так.

Описанный выше эффект был подмечен еще древнегреческим философом Аристотелем, а позже — французским естествоиспытателем Рене Декартом и основоположником английского материализма Фрэнсисом Бэконом. Но в те времена этому феномену не придавали особого значения.

И лишь благодаря настойчивости школьника из Танзании Эрасто Мпембы, который совершенно случайно в 1963 году столкнулся с подобным эффектом, на него обратили внимание и назвали в есть любопытного юноши.

А случилось это открытие совершенно неожиданно. Школьнику, изучающему поварское дело, дали задание приготовить мороженое. Учителя дали четкий алгоритм:

  • довести молоко до кипения;
  • добавить сахар в горячее молоко;
  • дать раствору остыть до температуры помещения;
  • поместить в морозильную камеру до полного замерзания.

Эрасто, по-видимому, был медлительным по своему характеру. Он слишком поздно приступил к выполнению практического задания. Когда его ровесники уже остудили приготовленное сладкое молоко и начали помещать его в морозильную камеру, раствор Мпембы был еще горячим. Испугавшись, что он не успеет справиться с заданием, Эрасто поставил замораживаться еще не успевшую остыть жидкость. Каково же было его удивление, когда выяснилось, что его горячее молоко замерзло быстрее, чем холодный раствор, который его соученики готовили по алгоритму.

Мпемба если и был медлителен или не слишком прилежен, то это компенсировалось его любознательностью. Несмотря на то что учитель физики Магамбинской школы не поверил ученику и только посмеялся над ним, Эрасто продолжил свои эксперименты самостоятельно, но теперь уже с водой.

Впоследствии он перешел в Мквавскую среднюю школу, директор которой был настроен прогрессивно и пригласил знаменитого профессора Денниса Осборна выступить перед учениками с лекцией по физике. Набравшись храбрости, Мпемба задал профессору вопрос о том, почему в морозительной камере в двух одинаковых контейнерах с водой быстрее остывает до 0 °C тот что с кипятком, чем тот, где вода была предварительно остужена почти до комнатной температуры.

Профессор не отмахнулся от вопроса обычного ученика средней школы, а начал его исследовать. И вот в 1969 году он предложил Мпембе (как автору идеи) опубликовать совместную статью о результатах их экспериментов. В этом же году статья вышла в британском журнале «Физическое образование». С этого момента феномен стали называть «парадокс Мпембы».

До сих пор ученые спорят о том, в чем истинная причина феномена. Единственное, в чем они сошлись — разные свойства холодной и горячей воды:

  • действие на воду разжиженных газов;
  • процесс образования льда;
  • теплообменные процессы;
  • процесс испарения;
  • отличия в подверженности переохлаждению.

Как можно объяснить эффект Мпембы в рамках обычной физики

график
фото: wikimedia.org

В 2012 году состоялся конкурс гипотез по объяснению парадокса Мпембы: почему при соблюдении определенных условий вода высокой температуры остывает быстрее, чем прохладная. Этот процесс проиллюстрирован на графике выше.

Пока исследователи так и не смогли до конца понять, существует ли парадокс Мпембы или это просто ошибки измерений. Однако проведенные расчеты показывают, что такой эффект все же возможен, и его можно объяснить с помощью нескольких термодинамических явлений.

Во-первых, горячая вода испаряется быстрее холодной, значит ее объем уменьшается и может охлаждаться быстрее. Во-вторых, когда молекулы воды испаряются с поверхности горячей жидкости, они забирают с собой тепловую энергию. Этого не происходит в случае холодного стакана, поэтому кипяток, от которого исходит пар, будет остывать быстрее.

Существует также множество других эффектов, но они не оказывают существенного влияния на скорость охлаждения жидкости. В любом случае, вопрос о существовании эффекта Мпембы остается открытым — ученым только предстоит решить, аргументы какой из сторон лучше всего соответствуют истинной природе наблюдаемого явления.

Практическое применение эффекта Мпембы

  1. Учитывая, что холодная вода замерзает медленнее, опытные водители автотранспорта предпочитают наливать холодную воду в систему стеклоомывателя.
  2. Растениеводы используют данный эффект для защиты посадок от морозов. Чтобы на поверхности растений быстро образовалась защитная оболочка в виде ледяного панциря, их орошают горячей водой.
  3. Вы когда-нибудь задумывались, почему при строительстве ледяной горки для зимних детских забав ее поливают не холодной, а горячей водой? Правильно: так на ней быстрее образуется лед.

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!

Без активной гиперссылки на материал Sauap.org копирование запрещено!

Ссылки: https://www.techinsider.ru/editorial/617373-chto-takoe-paradoks-mpemby-i-vypolnyaetsya-li-on/, https://blog.fenix.help/zalipatelnaya-nauka/paradoks-mpemby-sut-i-kak-yeto-rabotaet?ysclid=lkp1nq2cko347458746

Редакция Sauap.org

You may also like

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

5 × five =

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

More in Sauap.org