Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Холодная погода характерна для большей части нашей страны. Кроме катания на лыжах в это время можно проводить некоторые эксперименты с водой. Например, бросать в воздух горячую воду, делая тем самым снег. Этот эффектный трюк основан на интересном факте, известном ещё со времён Аристотеля.

Описывается он просто — горячая вода замерзает быстрее холодной. Данное свойство получило название эффекта Мпембы. Танзанийский школьник обнаружил это явление в 1963 году. Так почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эксперименты с мороженым

Эрасто Мпемба и другие дети в его школе часто делали мороженое, используя школьную морозильную камеру. Процесс был таков: они кипятили молоко и смешивали его с сахаром. После чего эту смесь помещали в морозилку. И однажды Мпемба поспешил и положил получившуюся субстанцию охлаждаться в разгоряченном состоянии.

Получилось так, что его мороженое получилось быстрее, чем у одноклассника. Но школьнику мало кто поверил, и в 1969 году Мпемба вместе с профессором физики опубликовали статью по этому поводу. Данный эффект наблюдается не всегда, поэтому если вы попытаетесь повторить его дома, далеко не факт, что это произойдёт. Вероятно, на это есть несколько причин.

Версии объяснения данного эффекта

Обнаружение эффекта Мпембы не позволило с абсолютной точностью объяснить данное явление. Полностью понять этот процесс пока не получилось, но научных споров ведётся много. И существует несколько версий объяснения эффекта Мпембы.

Наиболее часто выдвигаемая гипотеза — горячая вода испаряется из-за потери массы. В результате жидкость замерзает, теряя меньше тепла. Однако были случаи, когда эффект Мпембы наблюдался и в закрытых контейнерах, где испарения не было.

Другое предположение состоит в том, что вода развивает конвекционные потоки и температурные градиенты по мере ее охлаждения. Быстро остывающий стакан с горячей водой будет иметь большие перепады температур и быстрее отводить тепло от поверхности. В то время как равномерно охлаждённый стакан воды имеет меньшую разницу температур. Также получается меньше конвекции, ускоряющей процесс.

Существуют также и другие теории. Например, согласно одной из них все дело во влиянии растворенных газов в воде на процесс замораживания. В 2013 году группа исследователей из Сингапура предложила свою версию объяснения эффекта Мпембы. По их словам, разгадка кроется в уникальных свойствах химических связей в воде.

Как известно, стандартная молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Они соединены ковалентными связями. Но когда происходит соединение нескольких молекул, атомы водорода также образуют связи с атомами кислорода в других молекулах. Эти водородные связи придают воде некоторые ее свойства, такие как относительно высокая температура кипения и уменьшенная плотность при заморозке.

Исследователи считают, что во время кипения воды молекулы растекаются, удлиняя водородные связи. Но из-за ограниченного объема ковалентные связи в отдельных молекулах сжимаются, накапливая энергию. Если вода замерзает в таком состоянии, связи высвобождают энергию в виде «размотанной пружины», охлаждаясь гораздо быстрее.

Но не все эксперты согласны с такой трактовкой эффекта Мпембы. Кто-то обвиняет экспертов в том, что их теория могла бы предсказать новое свойство воды. Однако его нет в привычном понимании. Химик Ричард Заре из Стэнфордского университета вовсе считает, что быстрое замерзание горячей воды преимущественно зависит от испарения.

Скорее всего, именно из-за этого и происходит эффект Мпембы. Возможно, в будущем ученым удастся полностью доказать это или привнести какие-то поправки к объяснению.

Почему мы дрожим от холода?
При какой температуре тела нас бросает в дрожь, эффективен ли бег при теплопотерях и что нужно людям, чтобы согреться?

Отвечает Павел Торубаров
сердечно-сосудистый хирург
Дрожь — защитная реакция организма на понижение температуры тела. Она, кстати, свойственна всем теплокровным, не только человеку.

Дело в том, что диапазон температур, в которых могут протекать биохимические реакции, обеспечивающие нашу жизнедеятельность, довольно узок. При повышенной температуре тела свою каталитическую активность теряют белки, то есть они перестают ускорять химические реакции, протекающие в организме. При пониженной температуре замедляются биохимические реакции, и чем ниже температура, тем больше вероятность, что они вовсе остановятся. В таком случае человек умрет.

Дрожь — наиболее эффективный способ «подогреть» организм. Скелетная мускулатура любого теплокровного, сокращаясь, производит определенную работу, в результате чего выделяется тепло. Дрожь позволяет соотнести затраты энергии и полученного тепла. При других видах работы скелетной мускулатуры, например беге, этот баланс сдвинут в сторону потраченной энергии. Именно поэтому замерзающие собаки не бегают кругами, чтобы согреться, а сворачиваются калачиком и дрожат — так они минимизируют потери тепла и энергии.

При внезапном похолодании тепло уходит с поверхности тела в окружающую среду. До определенного момента эта ситуация организмом не рассматривается как критическая. Но если теплопотеря продолжается, включается первый из защитных механизмов: подкожная капиллярная сеть резко сужается, уменьшая подкожный ток крови. Организм пытается сохранить тепло для жизненно важных органов — внутренних, жертвуя менее важными — поверхностными. Мы ощущаем холод. Если теплопотери на этом этапе не прекратятся, температура организма снижается. Обычно человек начинает дрожать, когда температура его тела падает примерно до 35 °С. Но бывает, что дрожь возникает и при более низкой температуре.

В любом случае, чтобы унять ее, необходимо ограничить теплопотери организма — например, теплее одеться.