Эффект Мпембы

Эффект, состоящий в том, что горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная. Название связано с танганьикским школьником Эрасто Мпемба, который в 1963 году обнаружил этот эффект. В 1969 году было опубликовано две статьи на эту тему:
В Physics Educftion – совместная статья профессора физики Осборна и Мпембы;
В The American Journal of Physics – статья Джорджа Келла из канадского Национального исследовательского совета с описанием этого явления.

Хотя, как утверждает Википедия, эффект был известен еще Аристотелю, а позднее Френсису Бэкону и Рене Декарту,

Тем не менее все же были проведены некоторые исследования, которые подтверждали и не подтверждали эффект. Эффект не подтверждался при проведении опытов в термостатированном холодильнике.

Публикации по этому эффекту с периодичной регулярностью появляется многие годы.

Основной проблемой является объяснение данного эффекта. В принципе для объяснения этого эффекта уже не нужны опыты, а только имеющиеся современные научные данные о свойствах воды.

Аномальные свойства воды – диапазон от температуры замерзания до температуры кипения – практически сразу связали с водородными связями (между атомами кислорода и водорода). Поэтому и эффект Мпембы пытались объяснить этим. Другие ученые пытались объяснить эффект ковалентными связями.

Современные данные о свойствах воды позволяют связать эффект именно с водородными связями, так как открытие структуры воды связывают именно с ними. Доказано и существование льдоподобной структуры воды при температурах близких к замерзанию, а также в талой воде.

Структура воды – это наличие в воде ассоциированных молекул воды, содержащих от 4 молекул.

Итак. Вода – это не свободные одиночные молекулы воды. Это смесь различных структур и свободной в разных долях воды.  Свободные на 100% одиночные молекулы воды содержатся только в водяном паре. Это означает, что с повышением температуры воды происходит разрыв водородных связей в ассоциатах и образование свободных молекул воды. При этом следует четко понимать, что свободные молекулы воды имеют большую внутреннюю энергию, что позволяет им выходить в газовую среду при испарении. Даже при низких температурах эти свободные молекулы воды и создают повышенную концентрацию в парах над водой.

Также доказан факт того, что наибольшее количество энергии расходуется при подогреве воды от 4 до 30 градусов, что, кстати, сопровождается и изменением вязкостных свойств. Эта энергия расходуется на диссоциацию структурных ассоциатов воды.

Именно по этой причине из горячей воды при большой разнице температур в газовую фазу  переходят свободные молекулы воды, унося с собой ускоренными темпами энергию воды и способствуя образованию и накоплению структурных ассоциатов.

Так как эффект Мпембы не наблюдается  при опытах в термостатированных холодильниках (то есть в закрытых системах), то это означает, что эффект Мпембы возможен только для открытых систем, в которых не может происходить увеличение концентрации водяного пара над поверхностью воды.