Как замерзает вода на морозе

1. Три состояния воды

Мы привыкли, что вода — это прозрачная жидкость без цвета и вкуса. Но она бывает и твёрдой, и газообразной. Лёд и снег — это тоже вода. А в воздухе всегда есть вода в виде пара.

Вода может быть в трёх состояниях: жидком, газообразном (пар) и твёрдом (лёд, снег, град, иней).

Состояние воды зависит от температуры. Если на улице тепло, то вода жидкая. На морозе вода замерзает и превращается в лёд. А при нагревании она испаряется и становится водяным паром.

При этом изменяется расстояние между молекулами воды. В твёрдой воде молекулы располагаются совсем близко. В жидкой воде они дальше друг от друга, а в газообразной — совсем далеко.

Превращения воды
Превращение жидкой воды в лёд происходит при температуре ниже \(0\) градусов. Это замерзание .
Лёд начинает таять, если температура выше \(0\) градусов . Происходит таяние льда .

Превращение жидкой воды в пар — это испарение . Испарение происходит при любой температуре, а полностью вода становится газообразной, если температура выше \(100\) градусов.

Водяной пар превращается в жидкую воду при температуре ниже \(100\) градусов. Процесс называется конденсация .

Особые свойства льда

Обыч­но твёр­дые ве­ще­ства тя­же­лее, чем те же ве­ще­ства в жид­ком со­сто­я­нии. На­при­мер, ку­со­чек воска тонет в рас­плав­лен­ном воске. Лёд не тонет в воде. Если бро­сить ку­со­чек льда в воду, он будет пла­вать на по­верх­но­сти.

При замерзании вода ведёт себя не так, как другие вещества. Если воду охлаждать, то она начинает сжиматься. Но как только температура воды становится ниже \(0\) градусов, всё изменяется. При замерзании вода опять расширяется . Лёд за­ни­ма­ет боль­ший объём, чем вода, и он легче воды .

Если стеклянную бутылку с водой оставить на морозе, то она лопается. То же самое происходит и с водопроводными трубами. Если в них вода замёрзнет, то они разрываются. В сильные морозы из-за этого происходят аварии, и люди остаются без тепла и воды.

Температура замерзания воды

Всем известно, что вода кипит при 100 °С, а замерзает при 0 °С. Но не все так однозначно. Оказывается, чистая вода, впрочем, и морская тоже, при нуле не замерзает.

Если очень медленно охладить очень чистую воду (в идеале для такого эксперимента нужна дистиллированная), она будет оставаться жидкой при очень низких температурах. В таком промежуточном между льдом и водой состоянии структура вещества становится «стекловидной». Длится это состояние недолго. Если в такую переохлажденную воду попадет небольшой кусочек льда, пылинка или снежинка, по всему объему мгновенно прорастут длинные кристаллы льда.

Секрет тут в особенностях кристаллизации, в примесях солей или других веществ. Именно они становятся «ядром», вокруг которого строится кристаллическая решетка. Разный состав определяет разную температуру замерзания. Ученые обнаружили, что вода может оставаться жидкой даже при переохлаждении до -48 °С при условии, что она идеально чистая, без солей и минералов. Если же в воде есть тяжелые металлы, то она начнет замерзать уже при +3,8 °С.

Эффект Мпембы

Вода преподносит и другие сюрпризы. Оказывается, при определенных условиях горячая вода замерзнет быстрее, чем изначально холодная. Этот факт замечали Аристотель и Рене Декарт, но название «эффект Мпембы» парадокс получил по имени танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году обнаружил его при замораживании мороженого.

Парадоксально и то, что ученые до сих пор затрудняются найти единое объяснение этому феномену. Предположений много:

• разница температур в теплообмене;
• испарение (горячая вода испаряется быстрее);
• конвекция (эффект аномалии плотности);
• газы, которые растворены в воде;
• теплопроводность.

Все эти факторы проверяются в ходе исследований и экспериментов, но единого верного ответа и решения парадокса Мпембы современная наука пока что не дает. Зато эффект этот имеет широкое практическое применение в кулинарном деле.

Как заморозить воду

Особенности кристаллизации воды широко используются при ее очистке и смягчении. Вместо долгого кипячения, делающего воду мертвой, и отстаивания, которое позволяет избавиться лишь от хлора и газов, для получения идеально чистой воды существует технология вымораживания.

Вода, которая течет из крана, содержит не только грязь и ржавчину из труб, но соли, металлы, хлор, ненужные примеси, их можно убрать способом заморозки-разморозки, получив в итоге полезную талую воду. Этим способом можно очищать воду в домашних условиях, но есть ряд неудобств:

• необходима морозильная камера с низкими температурами;
• степень замерзания воды нужно постоянно контролировать;
• получается не более 60% чистой воды на выходе;
• для лучшего эффекта замораживать желательно не менее пяти литров воды.

Конечно, если у человека есть время, желание и возможность очищать воду вымораживанием дома, это неплохо. Но промышленные технологии куда точнее и эффективнее, используют методы шоковой и медленной заморозки по Лабзе, Муратову, Маловичко. В условиях жизни большого города и офисной работы, требующей концентрации и полного рабочего дня, тратить драгоценное время на длительные процедуры с домашней морозилкой нерационально. Надежнее поставить в офисе хороший кулер для воды с охлаждением и организовать постоянную доставку чистой воды прямо в офис. На нашем сайте можно найти телефоны доставки воды.

Какая вода замерзает быстрее: горячая или холодная?

Не такой уж простой вопрос, как может показаться на первый взгляд. Споры о том, какая вода замерзнет быстрее, ведутся еще со времен Аристотеля! Давайте разбираться.

Поворотным моментом в истории изучения замерзания воды стал эксперимент с мороженым.

С чего все началось?

В 1963 году старшеклассник Эрасто Мпемба из Танзании случайно обнаружил эффект, позднее названный в его честь. Рассказываем, как он к этому пришел. Школьники учились готовить мороженое (нам бы такие уроки!). Эрасто переживал, что ему не хватит места в морозильнике, поэтому поставил свою заготовку еще горячей. Одноклассники же наоборот дали смесям остыть и только после этого отправили их в морозилку. В итоге мороженое из теплого молока получилось быстрее, чем из охлажденного. Эрасто поспешил за объяснением к учителю физики, но тот только посмеялся над ним, сказав: “ Это не всемирная физика, а физика Мпембы ”.

© Saskatchewan Science Centre/youtube.com

Кто провел первые лабораторные эксперименты?

Мпемба не бросил попыток выяснить, в чем дело, и позднее обратился за помощью к физику Денису Осборну. Вместе они провели первые систематические научные исследования феномена – эффекта Мпембы. Им удалось воспроизвести результат, хотя опытный Осборн отметил, что для полного понимания происходящего нужно провести более сложные эксперименты. За прошедшие десятилетия многие ученые и лаборатории пытались раскрыть загадку эффекта Мпембы, но получали неоднозначные результаты.

Казалось бы, эффект легко проверить. Берем чашки с горячей и холодной водой, ставим их в морозилку и засекаем время. Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэйкон замечали, что горячая вода замерзает быстрее. Даже современные водопроводчики утверждают, что зимой трубы с горячей водой лопаются чаще, чем трубы с холодной.

Результаты эксперимента с замораживанием двух образцов в разное время. Обнаружена разница в скорости замерзания.

Удалось ли другим ученым повторить эксперименты и получить “эффект Мпембы”?

Шло время, появлялись новые гипотезы, и ученые проверяли их в максимально контролируемых условиях. Некоторые из них обнаружили эффект, другие – нет. Почему? Дело в том, что замерзание воды – достаточно непредсказуемый процесс. Особенно когда речь идет о долях секунд и температур.

Начнем с базовой физики. Неважно, какая у воды стартовая температура. Чтобы превратиться в лед, вода сперва должна охладиться до нуля градусов. В процессе замерзания температура воды будет оставаться неизменной. Почему же тогда горячая вода в некоторых экспериментах замерзала быстрее холодной?

Эффект Мпебы зимой (эксперимент с замерзанием горячей воды на морозе)

Как пробовали объяснить “эффект Мпембы”?

Существует несколько гипотез.

Горячая вода быстрее испаряется, а значит в процессе охлаждения ее объем может сократиться – поэтому она быстрее замерзнет.

С другой стороны лед в морозильнике может играть роль изолятора. Холодной чашке он будет мешать быстро охладиться, а вокруг горячей растает: чашка коснется охлаждающих элементов морозильника и быстрее остынет.

Также роль могут сыграть газы. В холодной воде больше растворенных газов, чем в горячей, и это может сыграть роль при охлаждении.

А вот твердые примеси могут повлиять на само замерзание. Помните популярные видео с бутылкой жидкой воды, которая при ударе начинает затвердевать на глазах? Эту воду аккуратно охладили ниже температуры замерзания, и в ней не образовались центры кристаллизации. Возможно, в спокойных условиях холодной воде требуется сильнее сверхохладиться, чтобы запустилась кристаллизация?

Наконец, существует гипотеза о влиянии конвекции. Теоретически, горячая вода может быстрее охлаждаться, потому что в ней сильнее потоки теплообмена.

Это разумные предположения, но их можно исключить: использовать герметичные контейнеры, очистить морозильник ото льда, проверить содержание примесей и так далее. И даже с учетом этих факторов эффект Мпемба то подтверждается, то нет. Как же так? Дело в том, что слишком много факторов играют роль.

При исследовании эффекта Мпембы важно учитывать способ хранения воды, наличие примесей, положение термометра при замере.

Что произойдет, если провести максимально контролируемый эксперимент?

В 2016 году специалисты по динамике жидкостей инженер Генри Барридж, профессор Имперского колледжа Лондона, и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели максимально контролируемое исследование эффекта Мпембы.

Они не нашли никаких свидетельств его существования, но не это главное. Самое существенное их открытие заключалось в том, что если буквально на сантиметр сместить положение термометра в емкости, не меняя никаких других условий, то небольшой эффект Мпембы появляется. Последующая проверка предыдущих исследований показала, что и там наблюдаемый эффект был в пределах погрешности.

Ученые продолжают экспериментировать?

Да, исследования продолжаются. Ученые ищут и изучают эффект Мпембы в различных веществах и условиях.

Подведем итог. Чисто физически у воды нет эффекта Мпембы, но в реальной жизни из-за твердых и газообразных примесей, материала, из которого сделаны емкости, особенностей морозильной камеры и многих других факторов горячая вода действительно может замерзать быстрее холодной.

Может быть интересно:

1. Какой двигатель доставит нас на другие планеты
2. Российская лунная программа
3. Использование радиации в медицине
4. Наблюдение за животными в дикой природе
5. Чем опасно таяние ледников в Арктике

Комментарии 0
Авторизуйтесь , чтобы оставить комментарий

Стань частью сообщества Атомариум!

Зарегистрируйся чтобы получить 350 приветственных
баллов и открыть полный доступ к курсам,
тренажерам и конкурсам.

Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная?

А знали ли вы, что горячая вода быстрее замерзнет в морозилке? Если нет, то мы сейчас объясним почему так происходит.

Для подтверждения этого феномена, можно для примера рассмотреть трубы с горячей и холодной водой. На сильном морозе трубы с кипятком – замерзнут быстрее. Такое явление вы можете наблюдать каждую зиму.

А как насчет эксперимента дома?

Что бы провести эксперимент дома, вам не обязательно ждать зимы и морозов.

Достаточно лишь вскипятить воду, залить ее в форму для льда и поставить в морозильную камеру. То же самое проделать и с холодной водой. Достаточно подождать всего час, открыть морозилку и убедиться, что кипяток замерз действительно быстрее, чем холодная вода.

Кто первооткрыватель? Парадокс Мпембы.

В далеком 1963 году, обычный школьник из Африки заметил, что, если подогреть мороженое и поставить в холодильник – замерзнет оно быстрее чем просто подтаявшее. С этим он обратился к своему школьному учителю, но ответа так и не получил. Зато профессор физики Деннис Осборн с радостью помог мальчику разобраться в этом феномене. На протяжении 6 лет школьник и профессор проводили эксперименты, и в 1969 году, их результаты опубликовали в журнале Physics Education.

Основные тезисы статьи.

Скорость охлаждения температуры зависит от температуры вверху поверхности. Поэтому скорость потери тепла элемента, у которого начальная температура была высокой, будет гораздо выше, чем у элемента с более прохладной температурой. Однако такое утверждение очень спорное, потому что перед тем, как замерзнуть, вода обязательно проходит промежуточные температуры, если брать во внимание что присутствует влияние температурного градиента, Осборн допускал что это утверждение можно упустить. После публикации в журнале, исследование стали называть «эффект Мпембы» другие исследователи начали работу над экспериментом, чтобы в конце концов разобраться, почему горячая вода замерзает быстрее.

Скорость замерзания от исходной температуры воды. Рисунок.

Объяснение.

Представляете, пол столетия искали ответ на вопрос «Почему горячая вода застывает быстрее, чем холодная»? Да-да, именно 54 года проводились разные исследования. Даже королевское сообщество обещало премию в размере 1000 фунтов тому, кто докажет эффект Мпембы. Победил Никола Брегович, который учился в хорватском университете в 2013г, он просуммировал все описанные теории и каждую описал отдельно. Но все же совсем немного приблизился к правде.

В 2017г ученые США и Китая все же объяснило этот феномен водородными связями в кластерной структуре воды.

Рассмотрим основные теории, которые были выдвинуты.

Кто-то дума что вода испарялась.

Не которые ученые объяснили, что вода с высокой температурой испаряется намного быстрее, и как следствие замерзая в воздухе образует корку из льда. Во всех экспериментах массу воды обязательно взвешивали, но потеря веча была незначительна – 3%. То есть такое уменьшение массы воды не могло вызвать быстрое замораживание.

А кто-то выдвинул теорию испарения газа.

Поскольку растворимость газа снижается с повышением температуры воды, многие ученые считали, что именно с этим связано быстрое замерзание теплой воды. Но Томас в своих экспериментах показал, что разница между температурой замерзания очень слабо отклоняется от 0. Ученый Ауэрбах вовсе доказал, что концентрация газов в воде – никак не влияет на переохлаждение воды.

Ну и наконец – водородные связи.

И наконец в 2017 году ученые сошлись во мнениях, и получили один ответ на вопрос, — Почему горячая вода замерзает быстрее? Все дело в водородных связях, они увеличиваются с повышением температур воды, и наличием крепко связанных кластеров. Все это образовывает гексагональный лед при резком охлаждении воды.