Дискуссия набирает силу по поводу того, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная

Свойства водородных соединений могут объяснить эффект Мпембы.

Быстрое замерзание? Некоторые ученые думают, что горячая вода может замерзать быстрее холодной при одинаковых условиях. Новое исследование основывается на том, что подобный эффект имеет место из-за водородных соединений, но другие ученые не наблюдают подобного эффекта.

Кажется логичным предполагать, что холодная вода замерзнет быстрее, чем горячая, но некоторые эксперименты доказали обратное. Сейчас существует новое объяснение того, почему горячая вода может замерзать быстрее холодной при одинаковых условиях. Этот феномен, известный как Мпемба эффект, может основываться на свойствах химических соединений, которые присоединяют соседние молекулы воды. Но некоторые ученые опровергают их, подчеркивая, что эффекта вовсе не существует.

Первые упоминания о быстрозамерзающей горячей воде уходят корнями в начала научного познания мира. Аристотель говорил, горячая вода замерзает быстрее холодной. В 1960 году студент из Танзании по имени Erasto Mpemba заметил, что мороженое затвердевает быстрее, когда его кладут в холодильник горячим. Ученые предложили несколько вариантов объяснений этого феномена, носящего теперь имя студента, включая эффект испарения, конвекцию, растворенные в мороженном газы и другие примеси, растворенные в воде. Но ни одно из объяснений не нашло полного подтверждения.

В статье, опубликованной 6 декабря 2016 года в журнале Journal of Chemical Theory and Computation ученые предположили, что соединения водорода, связи, формируемые между атомами кислорода и атомами водорода соседних молекул воды, могут являться частью паззла. Дитер Кремер из Southern Methodist University в Далласе и его коллеги изучили силу водородных связей на построенной модели молекул воды. «Мы видим, что соединения водорода меняются при нагревании воды,» - говорит Кремер. Сила водородных соединений зависит от расположения соседних молекул. В модели холодной воды присутствуют как слабые, так и сильные соединения водорода, но при повышении температуры больше становится сильных соединений. Это происходит потому, что слабые соединения распадаются при повышении температуры,» - говорит Кремер.

Кремер с коллегами осознают, что их новое понимание водородных соединений может объяснить Мпемба эффект. Если воду нагреть, слабые связи распадаются, и группы молекул формируют фрагменты, которые могут перестраиваться для формирования кристаллической структуры льда, являясь при этом точкой отсчета процесса замерзания. В случае холодной воды, для начала кристаллизации необходимо, чтобы слабые связи были разрушены.

«Анализ, приведенный в этой статье, проведен очень хорошо,» - говорит химик Вильям Годдард. «Большой вопрос: имеет ли это прямое отношение к Мпемба эффекту?». Хотя исследователи зафиксировали эффект, который может вызывать этот феномен, они не могут смоделировать процесс замерзания и продемонстрировать, что процесс замерзания происходит быстрее, если появляются новые водородные соединения. «Это на самом деле не ставит окончательную точку в данном исследовании,» - говорит Годдард.

Новое объяснение может быть добавлено в список неподтвержденных причин этого эффекта. Физик Джонатан Катц из Университета Вашингтон в Сант Луисе говорит, что идея абсолютно не имеет никакого смысла. В экспериментах с Мпемба эффектом вода замерзает на протяжении периода в несколько минут до нескольких часов. По мнению Катца, если температура снижается за этот промежуток времени, слабые водородные соединения преобразовываются и молекулы перестроятся.

Между тем, исследователи до сих пор спорят, действительно ли существует этот эффект. Попытки наблюдать Мпемба эффект противоречивы, требуют много усилий ученых, пытающихся повторить этот эффект снова и снова. В результатах экспериментов, опубликованных 24 ноября 2016 года в Scientific Reports, ученые из лондонского Imperial College измерили время, необходимое для снижения температуры горячего и холодного образцов воды до температуры 0 градусов Цельсия. «Что бы мы не делали, мы не заметили ничего схожего с Мпемба эффектом,» - говорит Генри Барридж, соавтор статьи.

Тем не менее, это исследование «не учитывало очень важный аспект этого феномена,» - написал химик Никола Бреговиц из Университета Загреб (Хорватия). Эксперимент Барриджа наблюдал только время, необходимое для достижения точки замерзания воды, но не начало процесса замерзания как такого. Это обусловлено тем, что это очень сложный процесс, сложный для контроля, что является причиной невозможности проверки эффекта на достоверность. «Я до сих пор убежден, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная,» - говорит Бреговиц.

Назад

Не менее интересно