Вражаюча хмара пари, коли окріп кидаєш у холодне повітря: що таке ефект Мпемби

Такі ролики набирають популярності щозими у багатьох країнах світу. Що ж таке ефект Мпемби – розповість 24 Канал.

Хто такий Мпемба та у чому полягає його ефект?

Той факт, що гаряча вода замерзає швидше за холодну, відомий вже багато століть. Першим про це почав говорити Арістотель, який у 340 році до нашої ери заявив, що попередньо нагріта вода стигне швидше. Згодом це явище обговорювали у середньовіччі, коли європейські фізики намагалися розробити теорію теплообміну. Але до XX століття воно було відомим лише як народна легенда, мовиться у статті Каліфорнійського університету "Чи може гаряча вода замерзнути швидше за холодну?"

Так тривало до 1969 року, поки учень з Танзанії Ерасто Мпемба не розповів світові, як він готував морозиво та з яким феноменом зіткнувся. За його словами, у 1963 році, коли навчався у 3 класі, він готував морозиво у школі, змішуючи молоко, яке щойно закипіло, з цукром. Йому слід було дочекатися, поки молоко охолоне, перш ніж ставити його в холодильник. Але Ерасто поспішав звільнити місце та поставив молоко, не охолодивши його.

На свій подив, школяр виявив, що його гаряче молоко замерзло та перетворилося на морозиво раніше, ніж в інших учнів. Він попросив пояснення у свого вчителя фізики, але той відповів, що, мабуть, це помилка, оскільки таке неможливо.

Ерасто тоді повірив своєму вчителю. Але пізніше того ж року він зустрів друга, який робив і продавав морозиво у місті Танга. Друг розповів, що під час приготування морозива він ставить гарячі рідини в холодильник, щоб вони швидше замерзли. Згодом школяр з'ясував, що інші продавці морозива в Танзі дотримуються тієї ж практики.

Пізніше, вже навчаючись у старшій школі, Мпемба вивчив закон охолодження Ньютона, який описує, як повинні охолоджуватися нагріті тіла. Він знову запитав учителя, чому гаряче молоко замерзає швидше за холодне, коли ставиш його в морозильник. На це вчитель відповів, що той, мабуть, заплутався. Коли Мпемба продовжив сперечатися, вчитель сказав: "Все, що я можу сказати, це те, що це фізика Мпемби, а не універсальна фізика". Але коли Мпемба пізніше провів експеримент з гарячою та холодною водою у біологічній лабораторії своєї школи, він знову виявив, що гаряча вода замерзає швидше.

Через роки глузувань і осудів Мпемба отримав можливість поставити своє питання справжньому професору фізики, і отримав дещо теплішу відповідь.

Зізнаюся, я думав, що він помиляється. Але, на щастя, я згадав про необхідність заохочувати студентів до розвитку критичного мислення та вміння ставити запитання. Жодне питання не повинно висміюватися"
– пригадував Деніс Озборн, професор фізики з танзанійського Університету Дар-ес-Салама.

Відкритість Озборна до експериментів пішла користь Мпембі. Науковець доручив одному зі своїх лаборантів повторити експеримент, і вони підтвердили, що гаряча вода справді замерзає швидше. Фактично, була виявлена досить різка залежність: найгарячіша вода, яка має температуру близько 90°C, замерзала всього за 30 хвилин, тоді як вода з початковою температурою 70°C замерзала майже годину. Найхолодніша з протестованих мала температуру 20 °C, і вона замерзала цілих 100 хвилин.

Ефект Мпемби на практиці: дивіться відео

Зрештою у 1969 Мпемба та Озборн описали свої результати у науковій праці, і про них дізнався весь світ.

Чому виникає ефект Мпемби?

Вчені досі намагаються з'ясувати, як і чому виникає цей ефект. І поки жоден не дав однозначної відповіді.

Сьогодні існує кілька теорій щодо цього

Випаровування – за високих температур випаровується більше води, ніж за низьких. Це відбувається тому, що випаровування вимагає більше енергії.
Розчинені гази – гаряча вода може містити менше розчинених газів, ніж холодна, і велика кількість газу випаровується під час кипіння. Тому у теплішій воді може бути менше розчинених газів. Це якимось чином може змінювати властивості води, можливо, полегшуючи утворення конвекційних потоків.
Конвекція – під час того, як вода охолоджується, у ній утворюються конвекційні потоки та нерівномірний розподіл температури. Щільність води зменшується з підвищенням температури, тому її поверхня буде теплішою за дно: це явище називається "гарячою вершиною". Якщо вода втрачає тепло переважно через поверхню, то вода з гарячою вершиною буде втрачати тепло швидше, ніж можна було б очікувати, виходячи з її середньої температури.
Навколишнє середовище – ще одне відмінність в охолодженні двох ємностей пов'язане не із самою водою, а з навколишнім середовищем. Спочатку тепліша вода може змінити навколишнє середовище і це впливає на процес її охолодження.

Як виникає ефект Мпемби: дивіться відео

У чому небезпека від виливання окропу на холодному повітрі?

Треба бути дуже обережним з експериментами з ефектом Мпемби, адже передусім вода має бути достатньої температури – 100 градусів або близькою до цього. Також має надворі має бути мороз – деколи і -11 градусів недостатньо.

Якщо все зробити неправильно – замість ефектної хмари пари, ви можете отримати опіки. Часто буває, що окріп виливається людям прямо в обличчя.