Олимпиада по физике

Почему горячая вода замерзает намного быстрее чем холодная?

Что такое эффект Мпембы

Затем возникает странный эффект Мпемба, названный в честь студента, который обнаружил, что смесь горячего замерзает быстрее, чем холодная смесь. Сам эффект Мпембы это наблюдение, которое показывает что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная. Одна из идей заключается в том, что теплые контейнеры обеспечивают лучший термический контакт с холодильником и, следовательно, проводят тепло более эффективно. Отсюда и быстрое замерзание. Другая причина заключается в том, что теплая вода быстро испаряется, и поскольку это эндотермический процесс, она охлаждает воду, заставляя ее быстрее замерзать.

Химики давно знают, что они важны. Например, температура кипения воды намного выше, чем у других жидкостей подобных молекул, потому что водородные связи удерживают ее вместе. Но в последние годы химики все больше осознают более тонкую роль, которую могут играть водородные связи. К примеру молекулы воды внутри узких капилляров образуют цепочки, удерживаемые вместе водородными связями. Это очень важно отображается на деревьях и растениях, где испарение воды через мембрану листа эффективно вытягивает цепочку молекул воды из корней.

Теперь Си и Ко говорят, что водородные связи также объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят молекулы воды в тесный контакт, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами заставляет ковалентные связи O-H растягиваться и накапливать энергию. Но когда жидкость нагревается, она заставляет водородные связи растягиваться, и молекулы воды смещаются дальше друг от друга. Это позволяет ковалентным молекулам снова сжаться и отказаться от своей энергии. Важным моментом является то, что этот процесс, при котором ковалентные связи отдают энергию, эквивалентен охлаждению.

Фактически, эффект является дополнительным к обычному процессу охлаждения. Так что теплая вода должна охлаждаться быстрее, чем холодная. И это именно то, что наблюдается в эффекте Мпемба.
Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждающего эффекта и показали, что именно он учитывает наблюдаемые различия в экспериментах, которые измеряют различные скорости охлаждения горячей и холодной воды.

Scroll to top