Комиссар Катар

«Дорогой Катар. Расскажите пожалуйста про „эффект Мпембы“, поскольку я читала несколько Ваших работ о воде. А вот про эффект Вы ничего не сказали.»

(Леонор Лефевр. Гавр. Франция)

В 1963 году школьник из Танганьики озадачил своего учителя вопросом о том, почему разогретая жидкость замерзает быстрее, чем холодная . Педагог отмахнулся от навязчивого школьника, сказав, что это «не всемирная физика, а физика Мпембы». Эрасто о своем вопросе не забыл и позже спросил об этом же приехавшего с лекциями в университет Дар-эс-Салам английского физика Дениса Осборна. В отличие от школьного учителя, Осборн не только не стал смеяться над пытливым студентом, но провел вместе с ним ряд опытов, а в 1969 году совместно с Эрасто опубликовал статью в журнале Physics Education, где этот феномен и был назван «эффектом Мпембы», хотя над ним размышляли когда-то и Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон. До сих пор не найдено научно обоснованного объяснения этого явления. В 2012 году Британское химическое общество даже объявило конкурс на лучшее объяснение «эффекта Мпембы».
Мы с читателем люди русские и потому не будем участвовать в британских конкурсах, тем более задача выеденного яйца не стоит, просто следует приложить мозги и немного поразмышлять. Уж не знаю, о чем там думали Декарт с Аристотелем, а я человек русский, а значит наблюдательный. Например, в кузне бывал, где закалка железа проводилась после ковки. И могу точно сказать, что любое нагретое тело расширяется, будь то вода или конская подкова. Как происходит это расширение? Естественно между молекулами вещества, получившими разогрев.
В любом веществе существуют ковалентные связи, которые на уровне частиц выглядят как обмен электронами. У одних веществ они сильнее, у других слабее – все зависит от плотности. Эти связи собственно и удерживают молекулу вещества. В нашем случае это вода, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода – Н2О.
Кроме ковалентных связей существуют и водородные связи, которые возникают в следствии того, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул. Однако, целостное образование молекулы Н2О отталкивает от себя другие молекулы. Все примерно так, как в системе Земля-Луна – есть и притяжение, и обмен полями и взаимное отталкивание. Образно говоря, солнечную систему можно рассматривать как молекулу сложного вещества, сверхвещества из которого состоит материальная часть вселенной. Я его называю Правещество и понимаю его, как первородную материю, которую наука разделила на химические элементы, чья совокупность в цельном виде и есть моно-материя вселенной. То есть в глобальном понимании вселенная однородна, как однородна скала для наблюдающего за ней муравья. Скорее всего, муравей не понимает, что это скала, а видит совсем иные реалии, чем мы. Все зависит от расстояния до наблюдателя – великое познается на расстоянии. При большом удалении солнечная система сливается в точку, затем точкой становится и галактика, а еще дальнейшее удаление родит многоточие, которое вполне может слиться в геометрическую фигуру, например вселенскую пирамиду.
Но самое удивительное будет не это, а то, что наблюдатель, перемещающийся вдаль, будет более осведомлен о внешнем облике вселенной, чем тот, кто в ней находится. Так, что все зависит только от точки зрения. А она у нас с читателем своя.
Однако вернемся к нашей воде. Вполне естественно предположить, что сем больше разогрев тела, тем больше расстояние между его молекулами. Это происходит из-за того, что дополнительная энергия нагревания создает пропорциональное нагреву увеличение отталкивающих сил. При температуре минус 0 градусов Цельсия для воды наступает момент, когда отталкивающие связи настолько ослабевают, что меняется агрегатное состояние вещества – она становится льдом.
Здесь следует понять, что любое твердое тело на планете только потому существует в таком виде, что условия на ней слишком холодны для него. То есть, достаточно поднять температуру и все начнет плавиться, а при более сильном нагреве вообще превратится в пар. Это касается и камня, и метала, и пластмассы, и стекла, и пр. То есть для работы в экстремальных температурах нужно создавать не высокопрочные материалы, а условия для них, при которых они не будут менять свое агрегатное состояние. Закалка железа в кузне тому пример.
Из-за увеличения отталкивающих сил водородные связи растягиваются, потому, что они получили извне дополнительную энергию. Объем тела естественно увеличивается. При охлаждении воды, молекулы начинают сближение друг с другом, и происходит отдача энергии, в полном соответствии с законом ее сохранения, что собственно и называют охлаждением. И совершенно неважно, с какой температуры началась отдача энергии – все это охлаждение и только. Однако следует понимать, что процесс самого охлаждения так же энергозатратный. Вещество не просто отдает лишнюю энергию, оно еще и тратит свою собственную на вытеснение этой энергии за пределы своей энергетической системы. Электростанции мало сгенерировать энергию, ей еще нужны мощности на ее передачу, а это дополнительные энергетические затраты. Таким образом, горячая вода потому быстрее замерзает, что она выполняет сразу несколько функций в своей собственной энергетической системе, в то время как холодная только одну – медленное остывание в единой общей энергетической системе.
Теперь несколько слов о самом эффекте Мпембы. Дело все в том, что он существует не всегда и не везде. Опыты Мпембы и Осборна имели строго частное условие: наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. Кристализация воды в лед происходит именно вокруг растворенных в ней веществ. Я уже пояснил почему – они более холодные, чем вода и для их агрегатного изменения требуются более высокие температуры. Конечно, холод существует на молекулярном уровне и мало заметен на самом веществе, но все, кто зимой пробовал лизнуть красивый узор на стылом железе на себе попробовал эти молекулярные связи.
При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. Как известно, кипячение воды дает осадок из тех веществ, которые в ней растворены. То есть эффект Мпембы касается только горячей воды, но не кипяченой.
В процесс охлаждения воды вступают кроме ее молекул, еще и центры кристаллизации, то есть растворенное вещество. А оно в воде неоднородно, потому и вода замерзает неравномерно. Совершенно очевидно, что у эффекта Мпембы существуют границы температурного режима, в рамках которого он будет соблюдаться в большей или меньшей степени. Этим и поясняется то, что нет в исследованиях 100% воспроизведения этого эффекта – где то он проявляется больше, где то меньше.
В 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. (При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли). По моему мнению, эффект Мпембы возникает на пограничных температурах высвобождения из воды газов или солей. С солями понятно – температура кипения 100 градусов Цельсия. Поговорим о газах.
Растворимость газа – это такой баланс, при котором количество растворенного газа пропорционально парциальному давлению в газообразной фазе над поверхностью воды. Если нам известно атмосферное давление и соответствующая концентрация газа, то можно вычислить максимальную концентрацию растворенного в воде газа, умножив значение парциального давления газа на коэффициент растворимости для конкретного типа газа:
Пример:
20.9 объемных процента кислорода с атмосферным давлением 1000 мбар создают парциальное давление 0.209 бар O2, таким образом, 1 литр воды содержит 0.031.
0.209 = 0.00648 литра или 6.5 мл кислорода.
Азот (парциальное давление 0.791 бар N2) растворяется хуже, 1 л воды содержит 0.016.
0.791 = 0.01266 л или 12.7 мл азота.
В воде у нас 34 объемных процента кислорода. Рыбы этим довольны.
Газированная вода производится посредством растворением в воде CO2 под давлением 2 бара. Можно вычислить содержание CO2, оно составляет 0.879.
2 = 1.75 л CO2, растворенных в 1 л воды.
Как вы видите, некоторые газы растворяются в воде очень быстро и очень эффективно. Именно поэтому в качестве мер безопасности широко распространено использование водяных распылителей и “водяных завес”, например, для снижения угрозы здоровью при выбросах значительных объемов аммиака или HCl.
Однако, растворимость газа зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше газа можно в ней растворить. Логично предположить, что этот растворенный, но не связанный в молекулах воды газ и есть причина того, что вода замерзает при температуре минус 0 градусов Цельсия.
Однако вернемся к распылителям и «водяным завесам». Для растворения загрязняющих газов в воздухе их пропускают сквозь холодную воду, тогда как при нагревании происходит десорбция и высвобождение растворенных в воде газов (часто этому способствует падение давления).
Для дальнейшего пояснения я должен заявить, что все процессы, происходящие в воде носят электрохимический характер. В связи с этим, у меня есть желание напомнить читателю о том, что существует прибор, именуемый электрохимическим сенсором. Простейший его тип знаком каждому автомобилисту – это алкотестер. Тонкий слой водяного конденсата на входном отверстии электрохимического сенсора может создать определенные проблемы, растворяя, например, H2S или NH3, в результате этого уменьшаются показания сенсора. Образно говоря, если вы будете дуть через мокрый мундштук, то уменьшится показания алкотестера. А если через воду, то вообще сведется к минимуму. Причина простая – водный конденсат. А он, как известно, возникает при понижении температуры. Вы вдыхаете в алкотестер воздух из своих легких, который горячее окружающей среды и содержит воду. Положите в рот кусочек льда, и ГАИ-шник поедет мозгами. Конечно, я не призываю к пьяному вождению, я просто говорю о физике процесса.
Вот так и с теплой водой, из которой уходят газы. И в первую очередь азот, поскольку он нейтрален к любым процессам. Именно поэтому температура замерзания теплой воды, открытая немцем Ауэрбахом выше температуры замерзания холодной воды.
Утверждать можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.
Что касаемо Британского химического общества, которое ссылаясь на авторитеты Аристотеля, Френсиса Бекона и Рене Пастера объявило конкурс от 2012 года на пояснение эффекта Мпембы, я хотел бы заметить, что ни в одной из работ этих ученых не встречается ничего подобного, а то, что сегодня выдается за исследование ими этого эффекта скорее вольный перевод и домысел совсем иных проблем, которыми занимались эти господа. В свое время, я запустил в Интернет мем «британские ученые», получивший насмешливый окрас над многочисленными теоретиками, которые расплодились в последние 100 лет. Их теории всегда из области ущербной психики и слабого уровня образования, хотя и не лишены оригинальности. В одной из миниатюр я пояснял, что мем этот появился из многочисленных частушек времен СССР про «ярославских ребят», в принципе неплохих парней, но регулярно попадающих в нелепые положения.
Я хочу пояснить читателю, что никакого британского химического общества не существует. Существует Королевское химическое общество (англ. Royal Society of Chemistry, RSC) — научное сообщество (профессиональная ассоциация) Соединённого Королевства, целью которой является развитие химической науки. Общество было образовано новым королевским указом в 1980 году путём слияния Химического общества, Королевского института химии, Общества Фарадея и Общества аналитической химии. Обществу предписывалась двойная роль научного сообщества и профессионального объединения. Штаб-квартира Общества располагается по адресу Лондон, Пикадилли, Бёрлингтон-хаус. Его филиал также расположен в Кембридже в Томас Грэхем Хаус, названном в честь Томаса Грэма, первого президента Химического общества. Там находится издательство Королевского химического общества. У Общества также имеются филиалы в США в Университетском городском научном центре штата Филадельфия, а также в Китае (Пекин и Шанхай) и в Индии (Бангалор).
Любой желающий может зайти на сайт этого общества (http://www.rsc.org) и задать администрации вопрос о ценности для них информации о парадоксе Мпембы. Читатель знает, что я профессор психологии, а значит, не связан пуповиной с химией. И, тем не менее, решить проблему парадокса Мпембы, растиражированную в последние годы, мне не составило проблемы, как не составит проблемы это сделать любому образованному человеку, а не ротозею, глазеющему на выдуманные сенсации, а затем их же пересказывающему с новыми подробностями. У «британских ученых» много добровольных ассистентов из категории обычных дурней, с писаными торбами или без. Вот от общения с ними я и упреждаю читателя.

© Copyright: Комиссар Катар, 2018
Свидетельство о публикации № 218071800848