Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Почему каток заливают горячей водой?

Описание парадокса Мпембы.

Многие из нас в детстве, а также в юношестве, часто экспериментировали с физическими явлениями, в том числе с замерзанием воды. Как ни странно, но многие из нас знают, что почему-то катки принято заливать горячей водой, а не холодной, потому что она быстрее замерзает. В этой статье мы расскажем, почему горячая вода превращается в лед быстрее, нежели холодная.  

Горячая вода замерзает быстрее или нет?

Вообще об этом факте было известно очень давно, еще со времен Аристотеля, а также Декарта. Однако каких-то научных подтверждений не было. Только в 1963 году начались существенные работы, основная задача которых выяснить, почему так происходит.

Горячая вода замерзает быстрее или нет:

• Согласно физике, это противоречит первому закону термодинамики, согласно которому одна энергия перетекает в другую. По первому началу термодинамики нагретая жидкость, перед тем как отвердеть, должна пройти температуру охлаждения, соответственно и время отвердения должно быть гораздо больше.
• Однако на практике происходит иначе. Об этом задумался школьник, который задал своему учителю физики соответствующий вопрос. Мальчик готовил дома мороженое, и заметил, что стакан с теплой жидкостью замерз гораздо быстрее, нежели с прохладной, при одинаковом составе субстанции.
• Тогда учитель лишь посмеялся над парнем, сказав, что это противоречит первому закону термодинамики, поэтому невозможно. После визита в школу известного физика Осборна, мальчик задал ему тот же вопрос, чем заинтересовал ученого.

Какая вода быстрее замерзает горячая или холодная?

Именно с 1963 года Осборн, вместе с мальчиком, начали заниматься этим вопросом, в результате чего была опубликована статья, в журнале educacion. При этом точного ответа, почему же нагретая жидкость отвердевает быстрее холодной, не было получено.  

Какая вода быстрее замерзает горячая или холодная:

• По мнению некоторых ученых, теплый раствор в холодильнике с термостатом переходит в твердое состояние гораздо быстрее лишь по той причине, что холодильник начинает сильнее морозить, при поступлении сигнала о повышении температуры в камере.
• Этого не происходит с охлажденной жидкостью, так как ее температура гораздо ниже, и термостат работает в обычном режиме, без снижения температуры хладагента. Однако эта версия не получила подтверждение по той причине, что нагретая жидкость в обычных условиях на воздухе, также отвердевает гораздо быстрее, чем холодная.
• Соответственно термостата в обычных уличных условиях нет, поэтому и усиления холода не происходит.

Почему горячая вода замерзает быстрее?

Однако удалось выяснить, что нагретая жидкость, из-за наличия над поверхностью большого количества испарений, отвердевает гораздо быстрее по причине того, что на поверхности образуются пары, объем жидкости в контейнере уменьшается. Тем самым удается заморозить меньшее количество жидкости, что гораздо проще, чем большее. Однако на практике потеря объема незначительная, поэтому и процесс затвердения нельзя считать оправданным.  

Почему горячая вода замерзает быстрее:

• Многие ученые сходятся во мнении, что нагретая жидкость, из-за наличия испарений, начинает превращаться в лед быстрее. Ледяные капельки над поверхностью, попадают в воду, что способствует образованию корки льда, из-за чего происходит быстрый процесс превращения в лед.  
• Научные работники выяснили, что, если поставить емкость с теплой жидкостью на снег, или ледяную корку в холодильнике, она начинает плавиться, в результате чего контакт между емкостью, водой в ней, а также холодильником, увеличивается, тем самым увеличивается площадь соприкосновения, в результате чего происходит быстрое замерзание теплой воды.
• Охлажденная вода не оказывает такого эффекта из-за того, что под ней снежная подушка не плавится, и процесс превращения в лед происходит гораздо медленнее. Кроме того, удалось выяснить, что холодная жидкость, при снижении температуры, начинается отвердевать в верхней части. В результате этого ухудшаются процессы смешения воды внутри, поэтому и процесс затягивается. Нагретая жидкость начинает замерзать снизу, тем самым усиливая процессы конвекции, теплоизлучения.  

Почему каток заливают горячей водой?

Ученые выяснили, что если включить дополнительное механическое усреднение воды в горячей и холодной емкостях, то охлажденная вода замерзнет гораздо быстрее. Это происходит из-за того, что не будет образовываться плотной ледяной корки. 

Почему каток заливают горячей водой:

• Химики также пытались объяснить данный парадокс, тем, что внутри прогретой жидкости, есть растворенные вещества, которые оседают на дно, сверху оказывается чистая вода. Всем известно, что солевой раствор отвердевает при более низкой температуре, чем дистиллированная вода.
• Тем самым и пытались объяснить данный парадокс. Соответственно охлажденная вода является более жесткой, в ней ярко выраженные ионы, содержащиеся во всем объеме. При этом в горячей жидкости, растворенная соль предпочтительно находится в нижней части раствора.
• Благодаря этому верхняя часть отвердевает быстрее, передавая сниженную температуру в нижние слои жидкости.  

Холодная или горячая вода замерзает быстрее?

Ученые выяснили, что если проводить постоянное перемешивание теплой и холодной воды, то холодная жидкость будет превращаться в лед гораздо быстрее. 

Холодная или горячая вода замерзает быстрее:

• Многие ученые считают, что в теплой воде связи между молекулами растянуты, поэтому молекула водорода также объемнее в пространстве. При резком охлаждении воды, эти связи разрываются, с очень резким снижением температуры.
• Именно этим и обусловлено быстрое замерзание теплой воды. Считается, что в горячей жидкости содержится меньше растворенных газов, чем в холодной. Именно из-за изменения состава горячей жидкости, происходит ее быстрое превращение в лед.
• До сих пор однозначного и окончательного ответа по поводу этого парадокса нет. Проводились исследования в 2012-2017 годах, которые подтверждали парадокс или опровергали его. В 2016 году в журнале scientific reports, есть ссылка на материалы, что холодная вода переходит в твердое состояние медленнее, чем нагретая.

Проводили своеобразные исследования, согласно которым замораживали по 400 мл воды с разной температурой. Согласно этим исследованиям, горячая жидкость быстрее охлаждалась, нежели холодная. В 2017 году была опубликована гипотеза, согласно которой эффект Мпембы, который касается нагрева охлажденной системы, не соответствует равновесию. Поэтому под этот парадокс не подходят все основные законы физики и термодинамики. 

ВИДЕО: Почему горячая вода замерзает быстрее?