Почему горячая вода иногда замерзает быстрее холодной

Иногда горячая вода может замерзнуть быстрее холодной. Новый эксперимент, проведенный с использованием крошечных стеклянных бусин, может помочь объяснить почему, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Nature.

Новое исследование показало, что горячий предмет может остывать быстрее, чем холодный. При охлаждении более теплая система достигла низкой температуры за меньшее время, чем более холодная система.

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпембы  — парадоксальном наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны из-за сложности устройства воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и заставляло ученых не соглашаться по поводу того, что именно вызывает эффект, как его определить и действительно ли он существует.

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Канада) использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды.

Это первый случай, когда эксперимент может быть заявлен как чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект.

— говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения были выполнены 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем шарик охлаждали на водяной бане. Эффективная «температура» бусинок из объединенных испытаний может быть получена из того, как они пересекают энергетический ландшафт, перемещаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Чтобы изучить, как система охлаждалась, исследователи отслеживали изменения температуры бусинок во времени. Изначально они были высокой или умеренной температуры, и исследователи измеряли, сколько времени нужно, чтобы шарики остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые вначале были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору. В простой гонке по термометру горячий объект должен сначала достичь исходной температуры теплого объекта – кажется, что более высокая температура может только увеличить время охлаждения.

Но в некоторых случаях эта простая логика неверна, особенно для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия (когда все части достигли одинаковой температуры). Для такой системы «ее поведение больше не определяется только температурой», - говорит Беххофер. Поведение материала слишком сложно, чтобы его можно было описать одним числом. По мере охлаждения шарики не находились в тепловом равновесии, а это означало, что их положения в ландшафте потенциальной энергии не были распределены таким образом, чтобы их можно было описать с помощью одной температуры. 

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может быть несколько путей к холодности, что позволяет сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема на гору.

Лу и физик Орен Раз ранее предсказывали, что такие короткие пути охлаждения возможны. «Приятно видеть, что это действительно работает, - говорит Раз из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль). Но, отмечает он, «мы не знаем, сработает ли это в воде или нет».

Сложности с водой могут быть связаны с наличием примесей, испарением и возможностью переохлаждения, когда вода остается жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания.

Простота исследования - часть его красоты, - заметила физик-теоретик Мария Вучелья из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Это одна из очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы продемонстрировать этот эффект». Это говорит о том, что эффект Мпембы может выходить за рамки стеклянных бусин или воды. «Я могу предположить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, просто мы не обращали на него внимания».