Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее холодной?

20 Апр
2013

Как ни странно, да. Почему так происходит?

Что понадобится:

  • неглубокая пластмассовая емкость или ванночка для льда;
  • теплая вода (температура около +35 °С);
  • холодная вода (температура около +5 °С);
  • морозильник.

Или:

  • два металлических ведра;
  • теплая вода (температура около +35 °С);
  • холодная вода (температура около +5 °С);
  • морозный ночной воздух.

Вам также будет нужен термометр для измерения температуры воды, чтобы провести эксперимент с достаточной точностью.

Что делать? Наполните одну емкость или ванночку для льда теплой водой, вторую — прохладной и поставьте обе в морозильник. Подождите как минимум 10 минут, затем загляните в морозилку и продолжайте проверять воду через одинаковые промежутки времени. Если вы пользуетесь двумя ведрами в холодную ночь, вам понадобится налить их доверху и ждать дольше.

Что можно увидеть? Теплая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Честное слово! Единственное ограничение в опыте с морозильником: емкости с водой должны быть сравнительно небольшими, чтобы теплопроводность морозильника не стала решающим фактором при замерзании их содержимого.

Что происходит? Сначала было высказано предположение, что в морозильнике емкость с теплой водой растапливает лед на поверхности, на которой она стоит. При повторном замерзании емкость в большей степени окружена льдом, а ее контакт с холодной поверхностью значительнее, чем у емкости с холодной водой. Поскольку для охлаждения емкости с теплой водой требуется больше усилий, теплоперенос ускоряется.

Но несмотря на то что ускоряющий фактор действительно присутствует, дальнейшие исследования показали, что этот эффект возникает, даже если обе емкости стоят на сухой необледеневшей поверхности или подвешены над полкой морозильника.

Это позволило предположить, что снижение объема теплой воды ввиду испарения повлияло на более быстрое остывание, но и такая гипотеза не подтвердилась. Термометры, помещенные в воду, показывают, что более холодная вода достигает точки замерзания быстрее, чем теплая, как и следовало ожидать и как подсказывает ньютоновский закон охлаждения. Но после этого вода, которая поначалу была теплее, застывает быстрее. Экспериментальным путем было установлено, что вода застывает в морозильнике дольше всего, если имеет начальную температуру +5 °С, и быстрее всего — при начальной температуре +35 °С (вот почему мы предлагаем взять для опыта воду именно таких температур).

Происходящее выглядит как парадокс, однако его можно объяснить, если понять, что такое перепад температур в воде по вертикали. Скорость теплоотдачи с поверхности воды пропорциональна температуре на поверхности. Поэтому в жидкости, на поверхности которой более высокая температура, чем на глубине (в нашем случае в воде, которая была изначально теплее), скорость теплопотери будет больше, чем в жидкости с такой же средней температурой, но распределенной равномерно (в нашем случае в воде, которая изначально была холоднее). Подтвердить это можно с помощью высоких узких металлических емкостей. Парадоксальный эффект исчезает, поскольку пропадает перепад температур в емкостях: металлические стенки быстрее проводят тепло.

Тем не менее возможно влияние и других факторов. На поверхности холодной воды в первую очередь образуется плавучая корка льда, препятствующая конвекционному теплообмену. В случае с горячей водой лед образуется сначала у боковых стенок и дна емкости, а поверхность остается свободной и сравнительно горячей, в итоге теплопотеря продолжается со значительной скоростью. Большая разница температур способствует интенсивной конвекционной циркуляции, при которой тепло продолжает поступать к поверхности даже после замерзания части воды.

Это было подтверждено при проведении эксперимента с металлическими ведрами, наполненными водой и выставленными на морозный воздух в ветреную ночь (ветер ускоряет теплопотерю). Если начальная температура воды примерно +5 °С, ее охлаждение происходит очень медленно, особенно после возникновения на поверхности плавучей корки льда, препятствующей нормальной конвекции. Чуть более теплая вода в ведре никоим образом не может соприкоснуться с холодными краями ведра и отдать воздуху тепло.

Но если начальная температура воды в ведре примерно +35 °С, в нем устанавливается режим интенсивной конвекции до начала замерзания, и вся масса воды остывает быстро и равномерно. Несмотря на то что первый лед образуется в этом ведре позже, чем в ведре с холодной водой, полное замерзание воды произойдет в «теплом» ведре быстрее, чем в «холодном».

Решающую роль играет разница температур. Очевидно, что, если начальная температура одного ведра будет равна + 1 С, а второго +99 °С, результаты эксперимента вряд ли вызовут удивление. Емкости должны быть достаточно просторными, чтобы конвекция в них продолжалась при небольших перепадах температуры, но не настолько, чтобы тепло быстро улетучивалось с поверхности воды.

В этом нам помогает ветер в холодную ночь.

Мало того, недавние и еще неподтвержденные исследования, проведенные в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури, дают возможность выдвинуть еще одну гипотезу. При нагревании воды происходит осаждение растворов кальция и магния бикарбоната. Их можно увидеть внутри любого чайника, в котором часто кипятят воду. Однако вода, которую еще не нагревали, по-прежнему содержит растворы, и, когда она замерзает, кристаллы льда вытесняют растворенные вещества в воду. По мере увеличения их концентрации в воде, которая еще не успела замерзнуть, температура замерзания снижается — то же самое происходит, когда зимой дороги посыпают солью. Следовательно, воде требуется сначала остыть, и только после этого она сможет замерзнуть. Кроме того, снижение температуры замерзания сокращает перепад температур жидкости и окружающей среды, и теплопотеря замедляется. Тем не менее и вода из-под крана, и дистиллированная вода (в последней практически нет растворенных веществ) дают одинаковые результаты в описанных выше экспериментах, поэтому упомянутый фактор нельзя считать решающим.

И наконец, существует еще один фактор, влияющий на процесс: переохлаждение. Исследования показывают, что, поскольку вода способна замерзать при разных температурах, горячая вода может начать замерзать до того, как остынет. Но замерзнет ли она полностью первой — совсем другой вопрос.

Остается еще одна проблема скорее технического, чем физического свойства. Колебание температур в морозильнике зависит от чувствительности термоэлемента и таймера, управляющего системой. Можно предположить, что при стандартной температуре энергия, направленная на охлаждение морозильника, действует со стандартной скоростью. Так что если поставить внутрь ведро с холодной водой, оно почти не окажет влияния на потребление энергии, поскольку температурный датчик не сработает. Но ведро с горячей водой легко приведет в действие датчик и вызовет рост потребления энергии для дополнительного охлаждения морозильника в зависимости от показаний таймера. Это обстоятельство не относится к опыту, проведенному на открытом воздухе в холодную ночь, но отчасти объясняет разную скорость замерзания воды в домашней морозилке и ванночках для льда. Однако объяснение касается лишь тех случаев, когда емкости с горячей и холодной водой ставят в морозильник в разное время. Если поместить их в морозильник одновременно, придется учитывать фактор взаимного влияния.

По-видимому, в данном случае мы имеем дело с действием различных факторов, объяснить которое может только обобщенная теория. Попробуйте провести опыты с различным сочетанием температур, емкостей и внешних условий — в конце концов, прославиться неожиданным открытием может каждый.

P.S. Этот эффект в 1620 г. заметил сэр Френсис Бэкон, который воспользовался деревянными ведрами с водой, поставленными на лед. Еще раньше, в 300 г. до н. э., Аристотель также обратил внимание на то, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Об этом он упоминает в «Метеорологии»: «Многие, желая быстро остудить воду, для начала выставляют ее на солнце. Разбивая стоянку на льду, чтобы порыбачить (для этого во льду пробивают лунку), теплую воду льют вокруг шестов, так как она замерзает быстрее; таким образом, лед утяжеляет шесты, заменяя свинец».


 

Комментарии:

наверх