Яка вода швидше замерзає: гаряча або холодна? Від чого це залежить
На те, яка вода швидше замерзає, гаряча або холодна, впливає дуже багато моментів, проте сам по собі питання здається трохи дивним. Мається на увазі, і це відомо з фізики, що гарячій воді ще потрібен час для того, щоб охолонути до температури порівнюєш холодної води, щоб перетворитися в лід. Холодній воді даний етап можна пропустити, а, виходячи з цього, за часом вона виграє.
Також подумав і наставник фізики, до якого звернувся учень початкової школи Ераста Мпемби в першій половині 60-их років XX століття з проханням пояснити, чому холодна суміш майбутнього морозива замерзає довше, ніж подібна, але гаряча.
"Це не всесвітня фізика, а якась фізика Мпемби"
Того разу наставник тільки посміявся над цим, але Дениссена Осборн, доктор фізичних наук, який свого часу заїхав в ту ж школу, де навчався Ераста, експериментально підтвердив наявність подібного результату, хоча і пояснення тоді цього не знайшлося. У другій половині 60-их років ХХ століття в популярному науковому журналі вийшла спільна стаття таких 2-ух людей, які описали цей специфічний ефект.
Питання виникало давно
Природно, що і раніше такий феномен мав місце бути, і він був торкнуться в роботах інших вчених. Не тільки учень початкової школи цікавився цим питанням, але і свого часу про це думав Френсіс Бекон, Рене Декарт і навіть Аристотель.
Умови для того, щоб трапився парадокс
Як і у випадку з морозивом, не просто проста вода замерзає в процесі експерименту. Зобов’язані бути конкретні умови для того, щоб почати дискутувати, яка вода замерзає швидше — холодна або гаряча. Що впливає на перебіг цього процесу?
На даний момент, в ХХI столітті, висунуто пару варіантів, які можуть пояснити даний феномен. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що у гарячої води є більша, ніж у холоді, швидкість випаровування. Завдяки цьому, скорочується її обсяг, а при зменшенні обсягу і час замерзання стає менше, ніж якщо взяти подібний початковий обсяг холодної води.
Русилів — Країна мінеральних водоспадів | Україна вражає
Давно розморожували морозильну камеру
На те, яка вода замерзає швидше, і чому це відбувається, може посприяти снігова підкладка, яка має місце в морозильній камері холодильника, застосовуваного для експерименту. Якщо взяти два контейнери, схожих за обсягом, проте в одному з них буде гаряча вода, а в іншому — холодна, контейнер з гарячою водою розплавить під собою сніг, таким чином покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер з холодною водою такого зробити не може. Якщо ж такої підкладки зі снігом в холодильній камері немає, холодна вода повинна замерзнути швидше.
Верх — внизу
Також явище того, яка вода швидше замерзає — гаряча або холодна, пояснюється так. Слідуючи певним законам, холодна вода замерзати починає з верхніх шарів, коли гаряча робить це навпаки — починає замерзати від низу до верху. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодну прошарок з уже місцями з’явилися льодом, погіршує собі подібним чином конвекційні процеси і випромінювання тепла, таким чином пояснюється, яка вода замерзає швидше — холодна або гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і тут це чітко видно.
Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляху для теплоизлучения немає, тому процес охолодження стає важким. Подібних перешкод у себе на шляху зовсім не має гаряча вода. Яка замерзає швидше — холодна або гаряча, від чого обумовлюється ймовірний вихід, можна збільшити відповідь тим, що будь-яка вода має певні речовини, розчинені в ній.
Домішки в складі води як фактор, що діє на результат
Якщо не шахраювати і застосовувати воду з однаковим складом, де концентрації конкретних речовин є схожими, то холодна вода повинна замерзнути швидше. Однак якщо ж відбувається ситуація, коли розчинені елементи хімії в наявності виключно в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не володіє, тоді є можливість у гарячої води замерзнути раніше. Це можна пояснити тим, що розчинені речовини в воді роблять центри кристалізації, і при невеликій кількості таких центрів перетворення води в тверде стан утруднено. Може навіть переохолодження води, в тому плані, що при низькій температурі вона буде розташовуватися в рідкому стані.
Шипіт — водоспад в Карпатах. Пилипець — гірський курорт Карпат
Але ці всі версії, видно, не до кінця влаштовували вчених і вони продовжували працювати над цим питанням. У 2013 році команда дослідників в Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку.
Розгадка від вчених з Китаю
Далі піде інформація, для розуміння якої потрібно мати певні знання в хімії, щоб з’ясувати те, яка вода замерзає швидше — гаряча або холодна. Як всі знають, молекула води складається з 2-ух атомів Н (водню) і одного атома О (кисню), утримуваних між собою ковалентними зв’язками.
Але також атоми водню однієї молекули притягуються і до сусідніх молекул, до їх кисневої складової. Власне такі зв’язки називаються водневими.
При цьому необхідно не забувати, що в той же час водяні молекули працюють один на один відразливе. Вчені підкреслили, що при нагріванні води між її молекулами збільшується відстань, і цьому допомагають якраз відразливі сили. Виходить так, що водневі зв’язки, займаючи одне відстань між молекулами в холодному стані, можна сказати, розтягуються, і у них виникає більший запас енергії. Саме цей запас енергії вивільняється, коли водяні молекули починають зближуватися між собою, іншими словами, відбувається охолодження. Виходить, що більший запас енергії в гарячій воді, і її більше вивільнення при охолодженні до мінусових температур, відбувається швидше, ніж в холодній воді, у якій запас такої енергії менше. То яка вода замерзає швидше — холодна або гаряча? На вулиці і в лабораторії повинен відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода повинна трансформуватися в лід швидше.
Але питання все ще відкрите
Існує лише теоретичне підтвердження цієї розгадки — все це написано красивими формулами і здається правдоподібним. Але ось коли дані експериментів, яка вода швидше замерзає — гаряча або холодна, будуть поставлені в практичному сенсі, і їх результати будуть представлені, тоді і можна буде назвати питання парадоксу Мпемби закритим.
Вода, яка ніколи не замерзає
Зробити кубики льоду досить просто: беремо звичайний пластиковий лоток для кубиків льоду, наповнюємо його водою і ставимо в морозильник. Незабаром вода кристалізується і перетворюється на лід. Якщо піддати аналізу структуру кристалів льоду, ми побачимо, що водяні молекули розміщені у вигляді правильних ґратчастих структур. У воді ж, навпаки, молекули розміщені не в строгому порядку, хоча і недалеко один до одного: інакше вода не мала можливості б текти.
А що, якби вода ніколи не перетворювалася в лід? І чи можна це?
Сотні диких лебедів зимують на озері у Чорториї, де вода ніколи не замерзає
«Скляна» вода
Група фізиків і хіміків з Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (ETH Zurich) і Цюріхського університету на чолі з професорами Раффаеле Мецценга (Raffaele Mezzenga) і Ехудом Ландау (Ehud Landau) знайшла оригінальний спосіб, який заважає воді кристалізуватися, за інформацією сайту ETH. При складних мінусових температурах — навіть при -263 градусах за шкалою Цельсія — вода зберігає характеристики рідини.
Поетапно — про пошук нового методу. На початковій стадії експериментатори розробили і синтезували новий клас ліпідів (молекул жиру) для створення нової форми «м’якої» біологічної субстанції, популярної як ліпідна мезофаза. Мезофаза називається агрегатний стан речовини, перехідний між рідиною і твердим тілом. Найбільш відомий приклад мезофази — желатин. В даному матеріалі ліпіди мимовільно збираються і з’єднуються, організовуючи мембрани, які ведуть себе так само, як молекули справжнього жиру. Ці мембрани після створюють мережі скріплених каналів діаметром менше одного нанометра. Температура і кількість води, а ще нова структура розроблених ліпідних молекул визначають структуру, яку приймає ліпідна мезофаза.
Після воду змішали з ліпідної мезофаза. Застосовуючи рідкий гелій, експериментатори змогли охолодити липидную мезофаза, яка складається з хімічно модифікованого моноацілгліцерінов, до температури -263 градуси за шкалою Цельсія (що всього на 10 градусів вище безумовного «нуля»), і кристали льоду не з’явились. При цій температурі вода стала «стеклообразной», що експериментатори змогли показати і довести при моделюванні. На відміну від пластикового лотка для кубиків льоду з великими «лунками», в нешироких каналах ліпідної мезофази не залишається місця для утворення кристалів льоду, з цієї причини вода залишається безладної навіть при складних мінусових температурах. Ліпіди теж не замерзають. Результати дослідження цього оригінального поведінки води, коли вона укладена в ліпідну мезофаза, були описані в статті, розміщеній в журналі Nature Nanotechnology.
«Важливим фактором вважається співвідношення ліпідів і води», — пояснює професор Раффаеле Мецценга з Лабораторії харчових і м’якого матеріалу в ETH Zurich. Виходячи з цього, власне утримання води в суміші визначає температуру, при якій змінюється геометрія мезофази. Якщо, наприклад, суміш містить 12% води, структура мезофази буде переходити при температурі приблизно -15 градусів за Цельсієм з кубічних грат в пластинчасту структуру.
Натуральний «антифриз» для бактерій
«Що робить розробку таких ліпідів настільки складною, так це їх синтез і очищення», — каже Ехуд Ландау, доктор хімічних наук в Цюріхському університеті. Так відбувається завдяки тому, що молекули ліпідів складаються з 2-ух частин: одна вважається гідрофобною (отталкует воду), а інша — гидрофильной (навпаки, притягує воду). З ними надзвичайно важко працювати, зазначає вчений.
М’який біоматеріал, грамотний з ліпідних мембран і води, має складну структуру, яка зводить до мінімуму контакт води з гідрофобними частинами і максимізує її взаємне дію з гідрофільними частинами.
Експериментатори змоделювали новий клас ліпідів на мембранах конкретних бактерій. Ці бактерії також виробляють особливий клас систем, що самоорганізуються ліпідів, які можуть по справжньому лімітувати кількість води в їх внутрішньому просторі, даючи можливість мікроорганізмам виживати в екстремально холодних умовах.
У нового класу теж є власний лукавий механізм. Новизна таких ліпідів полягає в тому, що молекули гідрофобних частин ліпідів утворюють невеликі кільця, які роблять потрібну «кривизну» для освіти крихітних водяних каналів і оберігають кристалізацію ліпідів.
М’яка матерія для досліджень
Дослідження: як замерзає солена вода [Відео]
Для чого потрібні ліпідні мезофази, які не дають воді замерзнути? В основному, вони будуть служити інструментом для інших дослідників. Припустимо, для біологів, які вивчають структуру і функції великих біомолекул, наприклад як білки або великі молекулярні комплекси. У більшості випадків такі зразки поміщають в швидко охолоджену воду, щоб зберегти їх і в подальшому проаналізувати. Але як тільки вони перетворюються в крижані кристали, приходять в непридатність їх мембрани і важливі складові молекул.
Існує метод вітрифікації — «стеклования» живих клітин. У кріобіології цей термін застосовують для визначення методу надшвидкого заморожування живих зразків. Кріопротекторними розчин, в якому знаходяться живі об’єкти, що не кристалізується при охолодженні, а переходить у склоподібний стан. Такий спосіб часто застосовують при Кріоелектронний мікроскопії, яка допомагає проаналізувати структури біомеолекул в розчинах. Сучасний спосіб, який застосовує ліпідні мезофази, може стати альтернативою при схожих дослідженнях.
«Наше дослідження прокладає шлях для майбутніх проектів, Щоб дізнатися, як білки можуть зберігатися в своєї первісної форми і взаємодіяти з ліпідними мембранами при дуже малих температурах», — каже професор Швейцарської вищої технічної школи Цюріха.
