Парадокс Мпембы

Данный парадокс является экспериментальным фактом (эффектом Мпембы), противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры. Назван в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы, первым обратившим на него внимание.

История открытия

В 1963 году ученик Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Похоже, что после этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре (в 1969 году) они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

(Высказываются, правда, предположения, что аналогичный эффект наблюдали в свое время Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт, но однозначных подтверждений тому не найдено. Считается, что эти предположения являются следствием слишком вольного перевода трудов данных ученых).

Анализ парадокса

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С...

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько вариантов такого объяснения:

• Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

• Наличие снеговой шубы в морозилке холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой шубы контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.

• Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

• Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде - растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

В опытах Мпембы и Осборна учитывалось четвертое условие, а остальные, по-видимому, нет.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос - какие из них обеспечивают стопроцентное вопроизводство эффекта Мпембы - так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. (При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли). Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда. Но если рассмотреть подробней факт более быстрого замерзания горячей воды в холодной при этом среде, то станет видно, то, что как горячая вода, так и холодная при этом воздушная среда, обладают, имеющейся в них, внутренней их энергией, которая чем она большее при этом имеет ее значение, тем более, и быстрее, входе их общего между собой взаимодействия, происходит и эффект испарения жидкости с поверхности этой воды, который при этом, в данном случае, разгоняется, по инерции, гораздо быстрее, по причине буквально "взрывного" взаимодействия между собой, этих двух сред, отчего, энергия горячей воды, более быстро, с большей скоростью от этого своей происходимой инерции, в этом взаимодействии, переходит в энергию испарения. Но известно из законов при этом Физики, что при испарении жидкости происходит охлаждение той поверхности тела, с которой эта жидкость при этом и испаряется. А это сильное, быстро ускоряющееся испарение, с его более быстрым разгоном, этой, происходимой его инерции реакции испарения, и может приводить, вместе с другими процессами при этом, протекающими с этими двумя средами, к убыстреннию разгона по инерции, так же убыстряющегося процесса земерзания и самой этой горячей воды, и тем самым, и являться быть может, основным при этом фактором, позволяющим горячей воде, помещенной в атмосферу холодной воздушной среды, гораздо быстрее при этом замерзнуть. При чем, в опыте с этим замерзанием, горячей воды, помещаемой в атмосферу холодного воздуха, нужно при этом учитывать и тот факт, что бытовой охладительный прибор, "холодильник", в который помещают горячую при этом воду, постоянно пытается нагружать свою систему охлаждения, и он отдает постоянно часть своей охладительной энергии наружу, в атмосферу, а так как, он и сохраняет еще в себе часть так же, этой, его охладительной, присутствующей внутри него, его энергии охлажденного воздуха, в некотором ее при этом собственном состоянии, протекаемой у ней ее инерции, то в этом случае, ускоренное охлаждение горячей воды, помещенной в этот "холодильник", можно так сказать, помогает ему не начать быстро нагрев, его собственной, охлажденной, внутренней, воздушной среды, от помещаемой внутрь него горячей воды, так как его, находящееся в ее охлажденном при этом состоянии, внутренняя, воздушная, помещенная в нем, его холодная среда, а так же, и его, все, являющиеся его частью, элементы внутренней, и внешней его конструкции, не могут за быстрый промежуток времени, выйти из их такого инерционного состояния в другое их состояние, а как раз таки, и горячая вода, замерзает в этом "холодильнике", при этом с ее ускорением. И тем самым, холодная, не успевающая быстро при этом нагреться по ее инерции, воздушняя, внутренняя, среда этого "холодильника", вместе со всеми техническими, и т.п., элементами его конструкции, создают при этом дополнительное ускорение, скорости протекания инерции испарения, и земерзания, этой горячей воды, чем и позволяют ей, еще быстрее этим, в этом "холодильнике", при этом замерзнуть.

Ссылки

Эффект Мпембы http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect

Филипп Болл "Глядя на замерзшую воду" http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

Тайны воды http://www.sunhome.ru/journal/113518