Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого

О'Хэйр Мик

Дэвид Эдж

Хаттон, Дербишир, Великобритания

По-видимому, предположение, что «такого эффекта нельзя добиться, если подвесить сосуд или поставить его на сухую поверхность», оказалось неверным…

Впервые этот вопрос прислал в журнал New Scientist в 1969 году студент из Танзании Эрасто Мпемба. Он обнаружил, что смесь для мороженого быстрее замерзает, если поставить ее в холодильник горячей, а не охлаждать до комнатной температуры. Когда я готовил школьную работу по этому же вопросу, мои учителя скептически отнеслись к выводам Мпембы.

Во-первых,

оказалось, что дистиллированная или взятая из-под крана вода ведет себя так же, как смесь для мороженого; химический состав не играет роли. Во-вторых, выяснилось, что уменьшение объема вследствие испарения с поверхности горячей воды ни при чем. Термопары, помещенные в воду, показали, что при 10 °C вода достигает точки замерзания быстрее, чем вода при 30 °C, согласно закону Ньютона, но после этого вода, которая сначала была теплее, замерзает гораздо быстрее холодной.

Максимальное время потребовалось, чтобы вода замерзла в морозильнике, при изначальной температуре около 5 °C, минимальное – при 35 °C. Этот парадокс можно объяснить перепадом температур в воде по вертикали. Темпы потери тепла с верхней поверхности пропорциональны температуре. Если удастся поддерживать на поверхности жидкости температуру выше, чем в глубине, тогда скорость потери тепла будет больше, чем в случае равномерного распределения тепла в воде. Если вода налита в высокую металлическую банку, а не в плоскую посудину, парадоксальный эффект исчезает. Можно предположить, что перепад температур в высокой банке будет незначительным из-за теплопроводности металлических стенок.

После этих экспериментов у меня пропало всякое желание принимать общепринятое мнение на веру, особенно когда речь идет о наблюдениях, результаты которых не соответствуют укоренившимся представлениям.

Дж. Нил Кейп

Пеникуик, Мидлотиан, Великобритания

В классическом эксперименте два металлических ведра выставляют на улицу в холодную и предпочтительно ветреную ночь. Стоячая вода плохо проводит тепло, лед образуется на поверхности и возле стенок. Если изначальная температура воды около 10 °C, в глубине вода охлаждается очень медленно, особенно после того, как поверхность затягивает лед, препятствуя нормальной конвекции. Более теплая вода не может вступить в контакт с остывшим ведром, и теплообмена не происходит.

Если начальная температура воды близка к 40 °C, сильная конвекция устанавливается до замерзания воды, вся ее масса остывает быстро и единообразно. Несмотря на то что лед начинает формироваться позже, чем на прохладной воде, полное замерзание горячей воды происходит быстрее, чем замерзание холодной.

В данном случае важны дополнительные условия. Очевидно, если начальная температура холодного ведра 0,1 °C, а горячего – 99,9 °C, результаты эксперимента вряд ли окажутся неожиданностью. Сосуды должны быть достаточно большими, чтобы конвекция наблюдалась при малых перепадах температур, но при этом настолько маленькими, чтобы тепло быстро улетучивалось с поверхности. Помогает принудительное воздушное охлаждение в ветреную ночь.

В домашнем морозильнике трудно создать подобные условия, но опыт можно воспроизвести в промышленном морозильнике или в лабораторной камере с искусственным климатом.

Алан Калверд

Бишопс-Стортфорд, Хартфордшир, Великобритания

Это правда, я лично проводил подобный опыт. Единственное условие заключается в том, что сосуд с водой должен быть относительно маленьким, чтобы способность морозильника отводить тепло не стала ограничивающим фактором.

На холодной воде раньше образуется плавучий лед, который препятствует в дальнейшем конвективному теплопереносу с поверхности воды. На горячей воде лед в первую очередь образуется у стенок и дна сосуда, а на поверхности вода остается чистой и сравнительно горячей, что обеспечивает теплопередачу в ускоренном темпе. Большой перепад температур приводит к интенсивной конвективной циркуляции, которая выносит тепло на поверхность даже после того, как большая часть воды замерзнет.

Том Херинг

Кегуорт, Лестершир, Великобритания

Это культурный миф. Горячая вода не будет замерзать в морозильнике быстрее, чем холодная. Но если горячую воду охладить до комнатной температуры, она замерзнет быстрее, чем вода, которую вообще не нагревали. Дело в том, что при нагревании из воды улетучиваются растворенные газы (в основном азот и кислород), которые замедляют процесс кристаллизации льда.

Том Тралл

Университет Тасмании, Австралия

Скептически настроенному Тому Траллу из Университета Тасмании было бы полезно заглянуть в холодильник автора первого письма, Майкла Дэвиса, также из Университета Тасмании. Эксперименты подтверждают, что эффект действительно существует, а отсутствие растворенных газов может быть еще одним фактором, ускоряющим льдообразование.

Возможно, существует еще один фактор, о котором не упомянул ни один из корреспондентов, – переохлаждение. Недавние исследования показывают, что, поскольку вода может замерзать при перепаде температур, горячая вода начинает замерзать прежде, чем остынет. Но замерзнет ли она полностью первой – это уже другой вопрос. – Ред.

В научных экспериментах этот эффект выглядит убедительно. Мы исходим из предположения, что температура в морозильнике остается постоянной на протяжении всего процесса замораживания, а также не меняются другие показатели: размер сосуда, теплопроводные и конвективные свойства внутри и снаружи его.

Но я полагаю, что в процессе задействована еще одна переменная, а именно – перепады температур в морозильнике. Колебания температур внутри морозильника зависят от чувствительности термоэлемента и таймера регулирующей системы. Можно предположить, что при стандартной температуре морозильника энергия, направленная на охлаждение, действует с известной скоростью. Если поставить в морозильник ведро с холодной водой, оно почти не окажет воздействия на расход энергии, потому что температурный датчик не среагирует на него. Но ведро с горячей водой легко может привести в действие датчик и вызвать непродолжительное, но мощное охлаждение внутри морозильника и чрезмерно понизить температуру в зависимости от показаний таймера.

В домашних условиях наблюдатель может упустить из виду это обстоятельство. Подобный эффект я наблюдал в электрической сауне. Обманув температурный датчик брызгами воды, я увеличил потребление энергии.

Матти Ярвилехто

Университет Оулу, Финляндия

Недавние, но пока не получившие подтверждения исследования, проведенные в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, США, выявили еще одну возможность. В нагретой воде в осадок выпадают такие растворимые вещества, как двууглекислый кальций и магний. Их можно увидеть внутри любого чайника, в котором кипятят жесткую воду. Но вода, которую не нагревали, тоже содержит эти соли, а при ее замерзании кристаллы льда вытесняют соли из растворов в воду. По мере того как их концентрация увеличивается, а вода замерзает, соли понижают температуру ее замерзания, как соль, которой зимой посыпают дороги. Следовательно, вода должна остыть прежде, чем она замерзнет. Поскольку понижение температуры замерзания создает перепады температур между жидкостью и окружающей средой, вода не так быстро теряет тепло. – Ред.