Почему у пингвинов не мерзнут лапы? и еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого - О'Хара Мик

Этот вопрос уже поднимался в журнале New Scientist много лет назад, но удовлетворительный ответ тогда так и не был получен. На этот раз мы подошли ближе к разрешению этого вопроса, приводя мнения нескольких авторов, которые провели эксперименты. Несмотря на то что это противоречит нашим представлениям, горячая вода замерзает в холодильнике быстрее холодной. Наиболее убедительно выглядят такие объяснения: термический контакт улучшается, если сосуд с водой поставить в морозилку, обросшую льдом сверху; конвективные потоки распределяются таким образом, что горячая вода замерзает быстрее. Какой из эффектов преобладает. зависит от условий в морозильнике, от сосуда и места его расположения. — Ред.

Действительно, гораздо быстрее можно приготовить кубики льда, взяв горячую воду вместо холодной. Этого эффекта можно достичь, если поставить сосуд с водой на обледеневшую или замерзшую поверхность. От высокой температуры лед, на котором стоит сосуд, тает, и термический контакт между сосудом и холодной поверхностью улучшается. Ускорение теплопереноса между сосудом и его содержимым компенсирует большее количество тепла, которое предстоит удалить. Такого эффекта нельзя добиться, если подвесить сосуд или поставить его на сухую поверхность. Это явление впервые заметил сэр Фрэнсис Бэкон, когда пользовался деревянными ведрами на льду. Мои эксперименты показали, что кубики льда можно получить не за 20 минут, а за 15, если температура в холодильнике достаточно низкая. В Австралии возможность быстрее заморозить воду ценится выше, чем в странах с более прохладным климатом.

Майкл Дэвис Университет Тасмании, Австралия

Первым этот эффект заметил не сэр Фрэнсис Бэкон. Аристотель в «Метеорологии» приводит подобное объяснение: «Многие люди, желая быстро остудить воду, для начала выставляют ее на солнце. Устраивая стоянку на льду, чтобы порыбачить (сначала во льду делают отверстие, затем ловят рыбу), сначала вокруг шестов льют теплую воду, чтобы она замерзала быстрее; льдом крепят эти шесты».

Дэвид Эдж Хаттон, Дербишир, Великобритания

По-видимому, предположение, что «такого эффекта нельзя добиться, если подвесить сосуд или поставить его на сухую поверхность», оказалось неверным…

Впервые этот вопрос прислал в журнал New Scientist в 1969 году студент из Танзании Эрасто Мпемба. Он обнаружил, что смесь для мороженого быстрее замерзает если поставить ее в холодильник горячей, а не охлаждать до комнатной температуры. Когда я готовил школьную работу по этому же вопросу, мои учителя скептически отнеслись к выводам Мпембы.

Во-первых, оказалось, что дистиллированная или взятая из-под крана вода ведет себя так же, как смесь для мороженого; химический состав не играет роли. Во-вторых, выяснилось, что уменьшение объема вследствие испарения с поверхности горячей воды ни при чем. Термопары, помещенные в воду, показали, что при 10 °C вода достигает точки замерзания быстрее, чем вода при 30 °C, согласно закону Ньютона, но после этого вода, которая сначала была теплее, замерзает гораздо быстрее холодной.

Максимальное время потребовалось, чтобы вода замерзла в морозильнике, при изначальной температуре около 5 °C, минимальное — при 35 °C. Этот парадокс можно объяснить перепадом температур в воде по вертикали. Темпы потери тепла с верхней поверхности пропорциональны температуре. Если удастся поддерживать на поверхности жидкости температуру выше, чем в глубине, тогда скорость потери тепла будет больше, чем в случае равномерного распределения тепла в воде. Если вода налита в высокую металлическую банку, а не в плоскую посудину, парадоксальный эффект исчезает. Можно предположить, что перепад температур в высокой банке будет незначительным из-за теплопроводности металлических стенок.

После этих экспериментов у меня пропало всякое желание принимать общепринятое мнение на веру, особенно когда речь идет о наблюдениях, результаты которых не соответствуют укоренившимся представлениям.

Дж. Нил Кейп Пеникуик, Мидлотиан, Великобритания

В классическом эксперименте два металлических ведра выставляют на улицу в холодную и предпочтительно ветреную ночь. Стоячая вода плохо проводит тепло, лед образуется на поверхности и возле стенок. Если изначальная температура воды около 10 °C, в глубине вода охлаждается очень медленно, особенно после того, как поверхность затягивает лед, препятствуя нормальной конвекции. Более теплая вода не может вступить в контакт с остывшим ведром, и теплообмена не происходит.

Если начальная температура воды близка к 40 °C, сильная конвекция устанавливается до замерзания воды, вся ее масса остывает быстро и единообразно. Несмотря на то что лед начинает формироваться позже, чем на прохладной воде, полное замерзание горячей воды происходит быстрее, чем замерзание холодной.

В данном случае важны дополнительные условия. Очевидно, если начальная температура холодного ведра 0,1 °C, а горячего — 99,9 °C, результаты эксперимента вряд ли окажутся неожиданностью. Сосуды должны быть достаточно большими, чтобы конвекция наблюдалась при малых перепадах температур, но при этом настолько маленькими, чтобы тепло быстро улетучивалось с поверхности. Помогает принудительное воздушное охлаждение в ветреную ночь.

В домашнем морозильнике трудно создать подобные условия, но опыт можно воспроизвести в промышленном морозильнике или в лабораторной камере с искусственным климатом.

Алан Калверд Бишопс-Стортфорд, Хартфордшир, Великобритания

Это правда, я лично проводил подобный опыт. Единственное условие заключается в том, что сосуд с водой должен быть относительно маленьким, чтобы способность морозильника отводить тепло не стала ограничивающим фактором.

На холодной воде раньше образуется плавучий лед, который препятствует в дальнейшем конвективному теплопереносу с поверхности воды. На горячей воде лед в первую очередь образуется у стенок и дна сосуда, а на поверхности вода остается чистой и сравнительно горячей, что обеспечивает теплопередачу в ускоренном темпе. Большой перепад температур приводит к интенсивной конвективной циркуляции, которая выносит тепло на поверхность даже после того, как большая часть воды замерзнет.

Том Херинг Кегуорт, Лестершир, Великобритания

Это культурный миф. Горячая вода не будет замерзать в морозильнике быстрее, чем холодная. Но если горячую воду охладить до комнатной температуры, она замерзнет быстрее, чем вода, которую вообще не нагревали. Дело в том, что при нагревании из воды улетучиваются растворенные газы (в основном азот и кислород), которые замедляют процесс кристаллизации льда.

Том Тралл Университет Тасмании, Австралия

Скептически настроенному Тому Траллу из Университета Тасмании было бы полезно заглянуть в холодильник автора первого письма, Майкла Дэвиса, также из Университета Тасмании. Эксперименты подтверждают, что эффект действительно существует, а отсутствие растворенных газов может быть еще одним фактором, ускоряющим льдообразование.

Возможно, существует еще один фактор, о котором не упомянул ни один из корреспондентов, — переохлаждение. Недавние исследования показывают, что, поскольку вода может замерзать при перепаде температур» горячая вода начинает замерзать прежде, чем остынет.

Но замерзнет ли она полностью первой — это уже другой вопрос. — Ред.

В научных экспериментах этот эффект выглядит убедительно. Мы исходим из предположения, что температура в морозильнике остается постоянной на протяжении всего процесса замораживания, а также не меняются другие показатели: размер сосуда, теплопроводные и конвективные свойства внутри и снаружи его.