Ретурнинговый теплообмен и парадокс Мпембы

Танзанийский школьник Эрасто Мпемба в 1963 году случайно заметил, что горячая смесь для приготовления мороженого замерзает в морозилке быстрее, чем смесь комнатной температуры,  и сообщил об этом учителю физики. Учитель над ним посмеялся. В 1969 году о "парадоксе Мпембы" стало известно из научной печати. И тут вдруг оказалось, что о свойстве горячей воды в некоторых условиях замерзать быстрее холодной упоминалось еще Аристотелем. Сейчас результат этого нелогичного опыта иногда называют эффектом Аристотеля-Мпембы, но он все еще ждет своего объяснения. И Британское Королевское химическое общество в 2012 году объявило международный конкурс для разгадки "Парадокса Мпембы".

Однако увидеть эффект Мпембы не так-то просто. Например, если полное ведро горячей и полное ведро холодной воды выставить на морозец с ветерком, то холодная вода замерзнет быстрее; если в одну морозильную камеру поставить контейнеры с горячей и холодной водой, то холодная вода замерзнет быстрее. В этом каждый может легко убедиться, если еще не убеждался на практике. Насколько мне известно, на конкурс ещё не представлено ни одного убедительного опыта, в котором бы более тёплая вода при равных условиях замерзала быстрее менее тёплой.

Для домашнего опыта берем два одинаковых пластиковых стакана высотой 12-15 см, например,  из-под сметаны вместимостью продукта 450г. На высоте 20 мм от дна стаканов делаем риски – это будет уровень наливаемой воды. В один стакан наливаем воду комнатной температуры, а в другой – холодную из-под крана. Ставим оба стакана в морозилку с температурой около минус 18 градусов; ставим на дощечку, книжку или пенопласт. Вот и все: вода в стаканчике с надписью "гор" замерзает быстрее.

Но может случиться так, что именно вы пропустите время замерзания воды, и вода успеет замерзнуть в обоих стаканах. В этом случае, заглянув в стаканы, вы увидите, что весь иней, образовавшийся из испарившейся воды, находится на внутренних стенках стаканов на расстоянии не более 20 мм от поверхности льда и на самом льду. То есть, даже следов инея нет больше нигде – ни на стенках стакана выше отметки в 40 мм, ни на потолке морозилки. И главное - инея в стаканчике с надписью "гор" намного больше. Вам, возможно,  в это трудно поверить и трудно объяснить наличие узкой полоски инея у кромки льда, но  именно так и будет в ста ваших опытах из ста.

Из этого наблюдения следует, что любая конкретная молекула или частица испаряющейся воды в неподвижном воздухе всегда возвращается обратно в воду, если поверхность воды для нее достаточно велика. Это закон ретурнинга или закон возврата. (Облака на небе - это результат восходящих потоков.) Отсутствие восходящих потоков влажного воздуха внутри почти пустых стаканов - вот то, что ускользало от взглядов исследователей.

Горячая вода испаряется интенсивнее холодной, поэтому влажность как бы запертого воздуха в первом стакане  будет выше. Испарившиеся на морозе молекулы воды мгновенно конденсируются и превращаются в видимые даже невооруженным глазом кристаллики льда,  из которых и состоит пар или туман. Эти частички в морозном воздухе медленно падают вниз и способны преодолевать слабый восходящий поток более мелких частиц. Во время своего падения частички увеличиваются в размерах, соединяясь с другими частицами и как бы стремясь превратиться в снежинки. Следовательно, в первом стакане большее число таких частиц в каждую единицу времени вернется в воду, нежели во втором. Вспомнив о большой теплоемкости льда, делаем вывод: возврат (или «ретурнинг») бОльшего количества замерзших частиц воды в единицу времени и является причиной более интенсивного охлаждения на морозе горячей воды. Разумеется, возвращаются не только видимые глазу частички воды, но и успевшие охладиться и хаотически движущиеся в пограничной зоне молекулы воды. И их число, и их значение огромно!

Итак, в нашем опыте горячая вода на морозе охлаждается интенсивнее холодной. Это обязательно приводит к равенству температуры воды в первом и втором стаканах в какой-то момент времени. Теперь и тут, и там вода испарятся примерно с одинаковой интенсивностью. Однако и после выравнивания температур в стакане с надписью "гор" на какое-то время сохранится более высокая влажность воздуха, чем в стакане с изначально более холодной водой, что и станет причиной более быстрого замерзания в нем воды. Этот второй важный момент все толкователи парадокса Мпембы почему-то тоже упустили.

Таким образом, никакого  физического эффекта Аристотеля-Мпембы и особого свойства горячей воды в природе не существует, а есть лишь неравенство влажности и плотности воздуха над поверхностью горячей и холодной воды и повышенный теплообмен в условиях большой влажности и плотности среды. Возможно, парадокс Мпембы просуществовал так долго лишь потому, что не существует еще и двух научных терминов -  «отрицательный ретурнинг» и «положительный ретурнинг».  Отрицательный ретурнинг – это возвращение в жидкость охлажденных молекул и частиц испаряющейся жидкости, а положительный ретурнинг – это возвращение нагретых молекул и частиц испаряющейся жидкости.  И эти термины нам нужны для понимания и объяснения природы теплообмена. Но не только.

Например, если озеро замерзает в тихую и слегка морозную погоду, то оно покрывается прозрачным, как стекло, ледком. Если же озеро замерзает в тихую и морозную погоду, то оно покрывается непрозрачным льдом. Это «ретурнинговый лед». И все объясняется просто: не замерзшее  еще озеро в сильный мороз «парит», и лед образуется не только из упорядоченных в пространстве  структурных молекул воды, но и из частичек тумана и мелких снежинок.

Возвратный теплообмен многие животные используют для охлаждения тела в сильную жару. Например, собака резко выталкивает влажный воздух из открытой пасти и тут же втягивает его обратно, но уже охлаждённым. Подражая ей, можно легко в этом убедиться. Однако если попробовать такой приём охлаждения в финской бане, то можно обжечь дыхательные пути. Положительный ретурнинг не всегда полезен.


P.S. Молекулярно-кинетическая теория объясняет быстрое охлаждение испаряющейся жидкости тем, что эту жидкость покидают преимущественно наиболее быстрые, то есть «горячие», молекулы; дескать, они-то и "уносят тепло". Если бы это представление соответствовало действительности, то и горячая, и холодная вода в наших опытах, в которых теплообмен возможен только через поверхность воды, всегда бы замерзала практически одновременно. И объяснение этому не существующему факту было бы все то же: мол, горячая вода испаряется и охлаждается интенсивнее холодной, поэтому температура в емкостях с горячей и холодной водой вскоре становится одинаковой. Нет! Горячая вода быстрее охлаждается благодаря большому отрицательному ретурнингу, то есть большему возврату охлажденных молекул и частиц интенсивно испаряющейся жидкости. С положительным ретурнингом мы сталкиваемся тогда, когда кипятим воду в катрюле с закрытой крышкой, например.


Рецензии
Весьма хорошо написанное толковое объяснение. Такой механизм явно работает. Но исчерпывает ли он полностью данный эффект? Вот в чём вопрос. А кто нибудь делал опыт с герметично закрытыми стаканчиками? (Без воздуха внутри).
Далее. "Шапка пара" сама является препятствием к теплообмену (некоторым и временным, конечно). Кроме того, падающие назад кристаллики льда первым делом растают и опять испарятся. Т.е. частицы воды (агрегаты из молекул) будут претерпевать фазовый переход несколько раз, прежде чем окончательно замёрзнуть. А на это уходит ВРЕМЯ (плюс время на пертурбации самой шапки пара, как единой системы).
Думаю, корень эффекта нужно искать в другом месте. Возможно в особенностях процессов кристаллообразования при разных начальных условиях и факторах среды. Мне лично кажется, (насклько я помню кристаллографию), возникающим зародышам кристаллов (по всему объёму жидкости) в ещё тёплой воде "легче" сориентироваться по "нужным" направлениям (для последующего быстрого возникновения большой кристаллической массы).
А в холодной воде изначально таких зародышей, конечно, намного больше, но все они окружены так называемыми застывшими (выражаясь языком кристаллографии) "дефектами" (в нашем случае, хаотическими неоднородностями в структуре жидкости из агрегатов молекул, а может быть и упорядоченными но не так как "нужно") . На преодоление потенциальных барьеров таких "дефектов" в холодной воде (при малой подвижности молекул) и уходит как раз больше времени.
Ну а в остывающей горячей воде все возникающие зародыши оказываются в одинаковых условиях. Они имеют более высокое "сродство" (структурную схожесть, а значит не нужно преодолевать лишние потенциальные барьеры) между собой и "единой бригадой" начинают строить "кристальную" массу.
Ещё есть немаловажный фактор, такой как растворенные в жидкости газы. Чем жидкость холоднее, тем их концентрация в ней больше. (Вероятно и они вносят свою лепту выступая дополнительными "дефектами" плюс к уже вышеназванным).

Владимир Тореев   10.09.2015 05:45     Заявить о нарушении
Здравствуйте, Владимир! Спасибо!

"А кто нибудь делал опыт с герметично закрытыми стаканчиками? (Без воздуха внутри)."

С такими опытами каждый может столкнуться, если оставит на морозе пластиковую бутылку с водой. Вода в ней может не замёрзнуть вообще. Но если по такой бутылке просто щёлкнуть, вода в ней моментально превращается в лёд. Явление моментального замерзания переохлаждённой жидкости можно посмотреть по запросу "Мгновенное замерзание воды".

"Шапка пара" сама является препятствием к теплообмену..."

Про "шапку пара" сказал кто-то из рецензентов, но на самом деле ничего подобного в моих опытах нет. Я ж говорил что весь иней в высоких стаканах с замёрзшей водой находится на внутренних стенках на высоте до 2 см от поверхности льда и больше его нет нигде в морозилке (уровень воды был тоже 2 см). Почему так?..

Организаторы конкурса прислали мне письмо с просьбой сделать и прислать видео опытов, так как все другие участники конкурса не смогли повторить результат Мпембы. А весь фокус в том, что стаканы высокие, а уровень воды в них низкий, поэтому восходящий поток тёплого и влажного воздуха внутри стаканов практически не возникает (полупустые стаканчики с водой на морозе "не парят", потому что нет подсоса воздуха), и охлаждённые частицы воды падают обратно в воду.

С уважением,
Виктор.

Виктор Бабинцев   10.09.2015 19:24   Заявить о нарушении
Почему когда вода в кастрюле кипит, дно у неё холодное?
Может потому, что происходит процесс схожий с испарением?

С уважением,

Кузнецова Любовь Алексеевна   06.07.2017 10:22   Заявить о нарушении
Кипение - это испарение жидкости "во внутрь себя" или внутреннее паро-газообразование. При холодном дне кастрюли вода в ней кипеть никак не может. Но при этом, благодаря хорошей теплопроводности металла, температура дна кастрюли лишь на пару градусов больше температуры кипения воды. Возможно, именно поэтому дно кастрюли и кажется Вам холодным. Можете выплеснуть кипящую воду и осторожно потрогать дно кастрюли. А можете просто посмотреть и увидеть, как быстро оно станет сухим.

Виктор Бабинцев   06.07.2017 11:05   Заявить о нарушении
Вопрос этот старинный - его задавал тот, кто окончил два университета - один до революции, а другой после. Когда мы не ответили, он предложил подумать. Может, он шутил. Если проверять, то можно обжечься. Кроме того, даже если дно холодное, оно моментально нагреется от стенок сосуда, когда прекратится кипение. Я вспомнила этот каверзный вопрос и задала его Вам. Спасибо за ответ!

Кузнецова Любовь Алексеевна   06.07.2017 11:46   Заявить о нарушении
Любовь, а для приготовления чего предназначены кастрюли с очень толстым дном?

Виктор Бабинцев   06.07.2017 16:35   Заявить о нарушении
На это произведение написано 8 рецензий, здесь отображается последняя, остальные - в полном списке.