Багато хто з нас в дитинстві, а також у юнацтві, часто експериментували з фізичними явищами, в тому числі з замерзанням води. Як не дивно, але багато з нас знають, що чомусь катки прийнято заливати гарячою водою, а не холодною, тому що вона швидше замерзає. У цій статті ми розповімо, чому гаряча вода перетворюється в лід швидше, ніж холодна.
Гаряча вода замерзає швидше чи ні?
Взагалі про цей факт було відомо дуже давно, ще з часів Аристотеля, а також Декарта. Проте жодних наукових підтверджень не було. Тільки в 1963 році почалися істотні роботи, основна задача яких-з’ясувати, чому так відбувається.
Гаряча вода замерзає швидше чи ні:
- Згідно з фізики, це суперечить першому закону термодинаміки, згідно з яким одна енергія перетікає в іншу. З першого початку термодинаміки нагріта рідина, перед тим як ствердіти, повинна пройти температуру охолодження, відповідно і час затвердіння повинно бути набагато більше.
- Проте на практиці відбувається інакше. Про це задумався школяр, який поставив своєму вчителю фізики відповідне питання. Хлопчик готував будинку морозиво, і зауважив, що склянку з теплою рідиною замерз набагато швидше, ніж з прохолодною, при однаковому складі субстанції.
- Тоді вчитель лише посміявся над хлопцем, сказавши, що це суперечить першому закону термодинаміки, тому неможливо. Після візиту в школу відомого фізика Осборна, хлопчик поставив йому те ж питання, чим зацікавив вченого.
Яка вода швидше замерзає гаряча чи холодна?
Саме з 1963 року Осборн, разом з хлопчиком, почали займатися цим питанням, в результаті чого була опублікована стаття, в журналі educacion. При цьому точної відповіді, чому ж нагріта рідина твердне швидше холодної, не було отримано.
Яка вода швидше замерзає гаряча або холодна:
- На думку деяких вчених, теплий розчин у холодильнику з термостатом переходить у твердий стан набагато швидше лише з тієї причини, що холодильник починає сильніше морозити, при надходженні сигналу про підвищенні температури в камері.
- Цього не відбувається з охолодженою рідиною, так як її температура набагато нижче, і термостат працює в звичайному режимі, без зниження температури холодоагенту. Однак ця версія не отримала підтвердження з тієї причини, що нагріта рідина в звичайних умовах на повітрі, також твердне значно швидше, ніж холодна.
- Відповідно термостата в звичайних вуличних умовах немає, тому і посилення холоду не відбувається.
Чому гаряча вода замерзає швидше?
Проте вдалося з’ясувати, що нагріта рідина, із-за наявності над поверхнею великої кількості випарів, твердне значно швидше по причині того, що на поверхні утворюються пари, об’єм рідини в контейнері зменшується. Тим самим вдається заморозити меншу кількість рідини, що набагато простіше, ніж більше. Однак на практиці втрата обсягу незначна, тому і процес затвердіння не можна вважати виправданим.
Чому гаряча вода замерзає швидше:
- Багато вчених сходяться на думці, що нагріта рідина, із-за наявності випарів, починає перетворюватися в лід швидше. Крижані крапельки над поверхнею, потрапляють у воду, що сприяє утворенню кірки льоду, з-за чого відбувається швидкий процес перетворення в лід.
- Науковці з’ясували, що, якщо поставити ємність з теплою рідиною на сніг або крижану кірку в холодильнику, вона починає плавитися, в результаті чого контакт між ємністю, водою в ній, а також холодильником, збільшується, тим самим збільшується площа зіткнення, в результаті чого відбувається швидке замерзання теплої води.
- Охолоджена вода не має такого ефекту з-за того, що під нею снігова подушка не плавиться, і процес перетворення в лід відбувається набагато повільніше. Крім того, вдалося з’ясувати, що холодна рідина, при зниженні температури, починається тверднути у верхній частині. В результаті погіршуються процеси змішування води всередині, тому і процес затягується. Нагріта рідина починає замерзати знизу, тим самим посилюючи процеси конвекції, тепловипромінювання.
Чому ковзанку заливають гарячою водою?
Вчені з’ясували, що якщо включити додаткове механічне усереднення води в гарячій і холодній ємностях, то охолоджена вода замерзне набагато швидше. Це відбувається з-за того, що не буде утворюватися щільною крижаної кірки.
Чому ковзанку заливають гарячою водою:
- Хіміки також намагалися пояснити цей парадокс тим, що всередині прогрітій рідини, є розчинені речовини, які осідають на дно, зверху виявляється чиста вода. Всім відомо, що сольовий розчин твердне при більш низькій температурі, ніж дистильована вода.
- Тим самим і намагалися пояснити цей парадокс. Відповідно охолоджена вода є більш жорсткою, в ній яскраво виражені іони, що містяться у всьому обсязі. При цьому в гарячої рідини, розчинена сіль переважно знаходиться в нижній частині розчину.
- Завдяки цьому верхня частина твердне швидше, передаючи знижену температуру в нижні шари рідини.
Холодна або гаряча вода замерзає швидше?
Вчені з’ясували, що якщо проводити постійне перемішування теплої і холодної води, то холодна рідина буде перетворюватися на лід набагато швидше.
Холодна або гаряча вода замерзає швидше:
- Багато вчених вважають, що в теплій воді зв’язку між молекулами розтягнуті, тому молекула водню також об’ємніше в просторі. При різкому охолодженні води, ці зв’язки розриваються, з дуже різким зниженням температури.
- Саме цим і зумовлене швидке замерзання теплої води. Вважається, що в гарячій рідині міститься менше розчинених газів, ніж у холодній. Саме із-за зміни складу гарячої рідини, відбувається її швидке перетворення в лід.
- Досі однозначної і остаточної відповіді щодо цього парадоксу немає. Проводилися дослідження в 2012-2017 роках, які підтверджували парадокс чи спростовували його. У 2016 році в журналі scientific reports, є посилання на матеріали, що холодна вода переходить у твердий стан повільніше, ніж нагріта.
Проводили своєрідні дослідження, згідно з яким заморожували по 400 мл води з різною температурою. Згідно з цим дослідженням, гаряча рідина швидше охолоджувалася, ніж холодна. У 2017 році була опублікована гіпотеза, згідно з якою ефект Мпембы, який стосується нагрівання охолодженої системи, не відповідає рівновазі. Тому під цей парадокс не підходять усі основні закони фізики і термодинаміки.
ВІДЕО: Чому гаряча вода замерзає швидше?
<
