Прав был Мпемба или не прав?
Эрасто Мпемба
Наш ролик об эффекте Мпембы вызвал бурную дискуссию у читателей поста. Некоторые комментаторы не удержались от проявлений ничем не обоснованного недоброжелательства к нам как авторам ролика - такой горячей оказалась тема. Поэтому мы решили её продолжить, рассказав дополнительную информацию об Эрасто Мпемба и проверках его эффекта.
Начнём с самого Мпембы. Он родился в 1950 году и умер в 2023-м. То есть свой эффект он открыл в тринадцатилетнем возрасте. При этом физиком становиться не собирался - хотел выучиться на врача. Но на обучение медицине у него не было денег. Зато он сумел получить стипендию для обучения в колледже дикой природы Африки и закончил его. Работал в Министерстве природных ресурсов и туризма Танзании, ушел на пенсию в 2011 году. Что интересно, в его семье все-таки был врач: его жена. Кем стали его дети, публичной информации нет.
Эффект Мпебы проверяли неоднократно и профессионалы, и любители - и в России, и за рубежом. Например, журнал "Химия и жизнь" в 2014 году предложил своим читателям проверить этот эффект и пообещал опубликовать результаты. Сколько читателей сделали проверку эффекта Мпембы, неизвестно. Журнал опубликовал результаты трех опытов любителей научпопа, которые не смогли повторить эффект. Правда, опыты проводились не так, как это делал Мпемба. Тут важны детали. И в прошлом году журнал "Химия и жизнь" поделился информацией о том, что канадские ученые не просто подтвердили и описали эффект Мпембы как научный факт, но дали ему научное объяснение.
Причиной эффекта являются свойства воды: она как химическое вещество находится в динамическом равновесии между флуктуациями двух её структурных форм, различающихся степенью упорядочения в расположении молекул. Флуктуации существуют вплоть до температуры кипения, однако при приближении к точке замерзания их мощность усиливается. Из флуктуаций формируются кластеры молекул, которые затем становятся льдом. Причина возникновения этих флуктуаций — водородные связи.
То есть вода состоит не из свободных одиночных молекул, а представляет собой смесь свободной воды и воды, связанной в различные структуры. У свободных молекул внутренняя энергия повышена, что позволяет им выходить в газовую среду при испарении.
Если вода горячая, то свободные молекулы обладают большой энергией, они интенсивно покидают сосуд и улетают в виде пара тем быстрее, чем больше разница температур молекулы и окружающей среды. Тем самым они не отдают энергию формирующимся кластерам льда, а, наоборот, уносят ее. А если вода холодная, то в ней нет таких энергичных свободных молекул: их охлаждение идет через нагрев кластеров льда, что замедляет затвердевание. Значит, обязательное условие эффекта Мпембы - энергичные молекулы должны как можно быстрее покинуть сосуд с остывающей водой и унести с собой энергию, мешающую образованию льда.
Эффект Мпембы возможен только для открытых систем, в которых нет препятствий для испарения. И важно, что посуда, в которой замораживают воду при проведении опыта, должна быть низкой и широкой, чтобы энергичные молекулы легко уходили через большую поверхность воды. В узких сосудах эффекта не будет: горячие молекулы, не имея выхода, станут нагревать кластеры льда и таким образом замедлять их образование и слияние в монолит.
Научность эффекта Мпембы подтверждают и другие исследования. Например, это. Физики из университетов Японии приводят в своей статье строгое количественное описание эффекта Мпембы, основанное на теории термомажоризации, которое они назвали эффектом термомажоризации Мпембы. Они утверждают, что их подход устраняет все существующие неясности и демонстрирует универсальность эффекта термомажоризации Мпембы для марковских процессов, строго доказывая, что он может проявляться при любой температуре с фиксированными уровнями энергии.
