Горячая вода замерзает быстрее холодной

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 12»

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ОКРУГ СИМФЕРОПОЛЬ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

КОНКУРС ПРОЕКТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ 

И РЕФЕРАТИВНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ

«ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ»

«ГОРЯЧАЯ ВОДА ЗАМЕРЗАЕТ БЫСТРЕЕ ХОЛОДНОЙ»

Проектно-исследовательскую работу

выполнила ученица 10 – Б класса

МБОУ «СОШ №12»

Кравцова Вероника

Руководитель: учитель физики

Костенко Ю.Э.

г. Симферополь 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..3

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ………………………………….……………………….4

1. Эффект Мпембы ………………………………………………………………….4

2. Гипотезы……………………………………………………………...……………5

3.Экспериментальная часть……………………………...……………………….…8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..….9

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ………….10

ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………………….11

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:

Вода – самое простое и привычное вещество на планете. Но в то же время вода таит в себе множество загадок. Ее до сих пор продолжают исследовать ученые, находя все больше интересных данных о воде.

Изучая научно-популярные статьи о воде, я обратила внимание на такое высказывание: «Горячая вода замерзает быстрее холодной». Ведь с точки зрения физики этого не может быть. Меня заинтересовал этот вопрос.

В своей работе я хочу выяснить, действительно ли горячая вода замерзает быстрее холодной и как этот эффект можно объяснить.

Цель работы:

Собрать информацию о свойствах воды.

Выяснить экспериментально, какие особенности замерзания воды.

Задачи: 

1. Проанализировать материалы по теме исследования.
2. Выяснить в чем заключается эффект Мпембы.
3. Изучить существующие гипотезы.
4. Экспериментально проверить эффект Мпембы.
5. Учиться ставить эксперименты и формулировать выводы.

Этапы работы:

1. Индивидуальный  выбор темы исследования.
2. Планирование деятельности, подбор материалов.
3. Проведение экспериментов.
4. Создание проектно-исследовательской работы.

Методы исследования:

1. Получение информации по теме из сети Интернет.
2. Работа с литературой в школьной библиотеке.
3. Экспериментальная исследовательская работа.
4. Обобщение полученных данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Что может быть в прозрачной капельке воды?

На первый взгляд, конечно, ничего.

Но капни на стекло, оставь следы

И в микроскоп ты рассмотри его.

И ты такое сможешь увидать,

О чем ты даже не подозревал.

Секрет свой тайный может передать

Вода тебе. Об этом ты мечтал? ....

Светлана Олегова.

Вода – это кислород, связанный с водородом (самым простым и самым распространенным элементом во всей Вселенной) простейшим возможным способом. Любой другой газ в сочетании с водородом дает еще один газ; лишь кислород и водород вместе – жидкость.

Также вода является самым распространенным веществом на Земле. Большинство живых организмов содержит от 50 до 80% воды. В природе вода играет важнейшую роль. При этом она оказывается задействованной в самых разных механизмах и жизненных циклах на Земле.

1. Эффект Мпембы

Наверняка большинство людей думают, что холодная вода замерзает быстрее горячей. Ведь горячей воде сперва нужно остыть, а потом уже замерзнуть, в отличие от холодной. Как ни странно, но это не так. Опыты показывают, что в лед быстрее превращается именно горячая вода.

Эффект Мпембы – парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в свое время некоторые исследователи. О том, что горячая вода замерзает быстрее холодной, упоминают в своих трудах  древнегреческий философ Аристотель в IV веке до н. э, английский философ Френсис Бэкон в 16 веке и французский математик, физик Рене Декарт в 17 веке.

Однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. И горячая вода замерзала быстрее. Но объяснений не было.

В школе, где учился Эрасто Мпемба, по приглашению директора читал лекцию по физике профессор Деннис Осборн из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе.

И любознательный ученик смог задать вопрос уважаемому ученому: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом.

Вскоре в 1969 году профессор и ученик средней школы вместе опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Гипотезы

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса.

Разница масс

Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100°С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0°С.

           Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше, то теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому, когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше, и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0°С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может испытывать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20°С. Причина этого эффекта в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда, нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёд. Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению, поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда. Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее?

В случае с холодной водой, которая не переохлаждается, происходит следующее: на её поверхности образуется тонкий слой льда, который действует как изолятор между водой и холодным воздухом, и тем самым препятствует дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул), который приводит к выравниванию температуры тела.

Этот механизм может играть существенную роль, когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Конвекция

Конвекция – это процесс переноса энергии самими струями жидкостей или газов.

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Если охладить воду до 4°С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4°С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4°С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Итак, все представленные выше гипотезы имеют научное обоснование. Однако однозначного ответа на вопрос почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная ученые пока не нашли.

3. Экспериментальная часть.

В своей работе я проверю эффект Мпемба экспериментально. Понаблюдаем за горячей и холодной водой в морозильной камере.

(Приложение 1)

Эксперимент

Цель: выяснить, какая вода замерзает быстрее холодная или горячая.

Оборудование: две емкости, горячая и холодная вода, термометр, секундомер, морозильная камера.

Опыт:

1. В одну емкость налили около 50 г горячей воды, а в другую такое же количество холодной воды.
2. Измерили температуру.

Температура горячей воды равна 40°С.

Температура холодной воды равна 3,9°С.

3. Поместили обе емкости в морозильную камеру, включили секундомер.
4. Определили время превращения воды в лед.

Горячая вода замерзла через 34 мин, в то время холодная была еще в жидком состоянии.

Холодная вода замерзла через 40 мин.

Вывод: эксперимент подтвердил, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. В данном опыте вода, начальная температура которой 40°С, превратилась в лед на 6 мин быстрее, чем вода с начальной температурой 3,9°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Вода в жизни человека играет большую роль. Несмотря на ее обыденность и естественность, это вещество обладает многими необычными свойствами, в которых много аномалий и противоречий. Таким необычным свойством является то, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная – эффект Мпемба.

В ходе исследования я теоретически изучила эффект Мпемба, гипотезы его объясняющие. Выяснила, что ученые не могут однозначно объяснить это свойство.

Эксперимент, проведенный в работе, подтвердил, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Эффект Мпемба, установленный в 1963 году танзанийским школьником, продолжает интересовать многих ученых. В 2012 году Королевское сообщество химии даже провело конкурс, чтобы найти лучшее объяснение этого эффекта. Его победитель предположил, что главную роль здесь играет "переохлаждение". Но почему именно это происходит, даже если эффект Мпемба действительно существует, до сих пор непонятно. Возможно, это последнее исследование сможет предложить новое объяснение, но в настоящий момент проблема еще далека от своего решения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. “The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water”, Charles A.          Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

2. Д.Э., Техника и производство. М., 1972 г

3. Ахметов Н.С., Неорганическая химия. Москва, 1992 г.

4. http://fb.ru/post/science

5. http://www.vesti.ru

6.https://ru.wikipedia.org/wiki

7. http://www.chemport.ru/datenews.php

8. http://www.sunhome.ru/journal/113518 Тайны воды

ПРИЛОЖЕНИЕ