эффект Мпэмбы

[sergey zhukov]

Увидел в сети множество вот таких фотографий:

На сильном морозе разбрызгивается кипяток, в результате чего получается такая красивая картина. Если разбрызгивать холодную воду, ничего подобного не получается.
При этом часто упоминался какой-то эффект Мпэмбы. Якобы этот эксперимент (разбрызгивание кипятка на морозе) доказывает парадоксальное утверждение: горячая вода (при прочих равных) замерзает быстрее, чем холодная.

Можно понимать это так: если на морозе выплеснуть холодную воду, то до земли долетит больше жидкой воды. А если горячую, то меньше. Если это действительно так, то звучит, конечно, необычно. Но объясняется это, видимо, тем, что холодные капли, грубо говоря, просто остывают в полете (медленное охлаждение), а горячие - еще и испаряются (быстрое охлаждение + уменьшение массы). Так что вполне может быть так, что пока холодная капля охлаждается в полете и не успевает замерзнуть, горячая капля быстро теряет заметную часть массы (и тепла) на испарение, а на оставшемся участке полета успевает замерзнуть из-за меньшего размера (а если и не успевает, все равно до земли долетит меньше жидкой воды). Т.е. горячая вода не замерзает быстрее холодной, а испаряется быстрее холодной.

А вот эффект Мпэмбы (если он существует) интереснее. Если откинуть тривиальные объяснения вроде растворенных газов, тепловой конвекции и пр., то остается одно интересное объяснение. Процесс охлаждения и замерзания горячей воды не повторяет такой же процесс для холодной воды: они могут происходить разными путями. Как я понял, существует теоретическая вероятность того, что горячая вода при остывании проходит через другой набор состояний, нежели холодная вода, хотя конечный продукт (лед) получается одинаковым.
Может ли такое действительно быть? Это ведь означает, что полное тепловое равновесное состояние в воде устанавливается достаточно медленно? Нет ли тут параллели с кавитационными тепловыми генераторами, все волшебные свойства которых сводятся, похоже, к приведению воды в какое-то неравновесное состояние?

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1546497 писал(а):

если он существует

Именно.

[wrest]

sergey zhukov в сообщении #1546497 писал(а):

Т.е. горячая вода не замерзает быстрее холодной, а испаряется быстрее холодной.

Ну в итоге и замерзает тоже быстрее. Но не просто горячая вода, а выплеснутая вот так вот из кружки.
На начальном этапе, наверное, у горячей воды существенно быстрее возрастает площадь поверхности, а у холодной нет.
Ясно что если просто лить струёй то холодная замерзнет быстрее.

[zykov]

sergey zhukov в сообщении #1546497 писал(а):

А вот эффект Мпэмбы (если он существует) интереснее.

Несколько лет назад на форумах обсуждали.
Там мальчик Мпемба ставил в морозилку холодильника стакан с холодной водой и смотрел, за какое время замёрзнет. Потом стакан с горячей водой. Второй быстрее замерзал.

Там в морозилке может быть всё что угодно. Может горячий стакан растопил слой снега, что увеличило теплопроводность. Может горячий стакан нагреванием активировал систему управления холодильника, и тот начинал активно охлаждать морозилку.

[Dan B-Yallay]

Я не читал первоисточников про Мпембу, но ради исключения эффектов вроде

zykov в сообщении #1546521 писал(а):

Может горячий стакан нагреванием активировал систему управления холодильника, и тот начинал активно охлаждать морозилку.

можно ведь ставить оба стакана в морозилку одновременно. Почему обязательно по очереди?

[zykov]

Dan B-Yallay
Можете поставить себе в холодильник. Потом расскажите, есть ли эффект или нет.

-- 19.01.2022, 22:39 --

Может там из горячего значительное количество воды испаряется, а меньшее количество оставшейся воды замерзает быстрее (при той же теплопроводности между стаканом и морозилкой).

[druggist]

zykov в сообщении #1546529 писал(а):

Можете поставить себе в холодильник

Только крышечкой накройте.

[GraNiNi]

zykov в сообщении #1546521 писал(а):

Там мальчик Мпемба ставил в морозилку холодильника стакан с холодной водой и смотрел, за какое время замёрзнет. Потом стакан с горячей водой. Второй быстрее замерзал.

Вроде, он делал мороженое замораживая всякие смеси из фруктовых соков, но это не суть.
Несколько лет назад эта тема уже обсуждалась, а я даже экспериментально проверял на горячей и холодной воде с соблюдением идентичных условий охлаждения (насколько это возможно в домашних условиях).
В моих опытах эффект не обнаружен.

[Dan B-Yallay]

zykov в сообщении #1546529 писал(а):

Можете поставить себе в холодильник. Потом расскажите, есть ли эффект или нет.

Оказывается, yже всё сделано:

GraNiNi в сообщении #1546533 писал(а):

я даже экспериментально проверял на горячей и холодной воде с соблюдением идентичных условий охлаждения (насколько это возможно в домашних условиях).
В моих опытах эффект не обнаружен.

[GraNiNi]

sergey zhukov в сообщении #1546497 писал(а):

Так что вполне может быть так, что пока холодная капля охлаждается в полете и не успевает замерзнуть, горячая капля быстро теряет заметную часть массы (и тепла) на испарение, а на оставшемся участке полета успевает замерзнуть из-за меньшего размера

Размер капель имеет решающее значение.

Добавлю еще один фактор.
У кипятка вязкость примерно втрое меньше, чем у холодной воды. А чем меньше вязкость тем легче жидкость разбивается на капли и размер капель - меньше, кроме того по этой же причине сама жидкость легче "выскакивает" из кружки (меньше цепляется за стенки) и ее скорость больше, что также способствует дроблению капель.

Кроме вязкости у горячей воды меньше поверхностное натяжение, что также способствует уменьшению капель.

[zykov]

На википедии много чего понаписано про это - Эффект Мпембы.
Правда есть сомнения, насколько можно доверять этому тексту.

Лучше провести чистый эксперимент. Взять воду в одинаковых плотно закрытых контейнерах и разместить в надёжный термостат (можно просто тело большой теплоёмкости, например 10-20 литров замороженной воды).

-- 19.01.2022, 23:56 --

GraNiNi
Да, про кружку, там и вязкость, и поверхностное натяжение, и скорость испарения. Может ещё давление паров - что-то вроде взрыва при резком испарении.

[lel0lel]

Если эффект есть, то он может быть вызван следующими причинами: 1) неравновесность процесса при быстром охлаждении, тогда изначально горячая жидкость не проходит тоже равновесное состояние, с которого начинается охлаждение холодной воды. При медленном охлаждении этот эффект сгладится и результат должен быть ожидаемый. 2) Испарение части жидкости; тогда достигнув температуры холодной (пусть и в почти равновесном состоянии), морозить придётся меньшую массу, а поскольку удельная теплота плавления велика, то кипяток вполне мог бы обогнать холодную. В wiki пишут, что Мпэмба этот момент предусмотрел и исключил потерю массы при испарении, но не пишут каким образом, вполне может быть, что не совсем. Даже небольшая потеря массы может привести к эффекту, поскольку основное время тратится на отвердевание. При желании можно посчитать какая часть жидкости из ста грамм кипятка должна испариться, чтобы выигрыш при кристаллизации превысил проигрыш при остывании. Будем считать, что испарение (в основном) проходит на начальном этапе, для простоты считаем мгновенно, это приводит к скачку температуры оставшейся жидкости, дальнейшее остывание только в результате теплообменная термостата и горячей воды. Хоть это и очень упрощённая модель, можно сказать школьная задачка (если не рассчитывать честно скорость остывания горячей воды с переменной температурой), но она позволяет оценить необходимую массу пара для наблюдения эффекта. Думаю, что она не слишком большая, поэтому Мпэмба мог и прозевать.

[Osmiy]

У холодной воды память лучше.

(Оффтоп)

Шутка

[GraNiNi]

Нашел свой опыт:
post1046435.html#p1046435

[lel0lel]

Так Вы равные объемы жидкости брали. Это на $0.5$ грамма горячей меньше, тепловое расширение однако. Нужны же равные массы. Тогда тем более эффекта бы не было. Подозреваю, что большинство людей в Ютубе как раз повторяют этот опыт с равными объемами, посмотрите таблицу плотностей воды в зависимости от температуры.

Вот и Мпемба, согласно Википедии, экспериментировал с равными объемами по $70$ мл. Да ещё температура горячей была $90$ градусов. Навскидку грамма $4$ была разница масс.