CC BY
26В. В. Лепов DOI: 10.24412/1728-516Х-2022-1-78-80
Валерий Валерьевич Лепов,
доктор технических наук, директор Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН -обособленного подразделения
ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», профессор кафедры философии ФИЦ ЯНЦ СО РАН, действительный член Академии наук РС(Я), г. Якутск
Такие явления, как эффект Мпембы и «якутский салют» часто описывают вместе, имея в виду их необычность и связь с поведением горячей воды при низкой температуре. Однако на самом деле условия проявления этих аномалий сильно отличаются. В первом случае - это камера морозильника или рефрижератора со стабилизируемой температурой около -24 °С (249 °К), а во втором - холодный воздух в условиях якутской зимы с температурой ниже -40 °С (233 °К).
Первое явление упоминалось ещё в трудах таких известных учёных, как Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. В современный период на него в 1963 г. обратил внимание школьник Эрасто Мпемба из Республики Танганьика (ныне - Объединённая Республика Танзания). Он заметил быстрое замерзание стаканчиков с горячим мороженым в школьном рефрижераторе. Его учитель вначале не обратил внимания
на какое-то нарушение в данном случае законов физики, списав результаты опыта на влияние субъективных факторов и назвав его «эффектом Мпембы». Однако позднее посетивший республику английский учёный Джордж Осборн заинтересовался этим явлением и опубликовал вместе со школьником статью в журнале [1].
В дальнейших экспериментах исследователи использовали обычную воду. Эффект подтверждался всегда, независимо от условий, когда было возможно испарение жидкости или нахождение в воде растворённых газов. Обычно 70 мл воды наливались в лабораторные стаканчики (100 мл), которые размещали на пенопластовых листах, чтобы исключить кондуктивный теплоперенос. При этом один образец имел положительную начальную температуру (25 °С), а другой отрицательную (минус 90 °С). Однако эффект проявлялся и при других начальных условиях (рис. 1). Даже размещение воды
На фото вверху - «якутский салют» - очень зрелищное явление.
Грлфпк замерзания jbv\ температурных согтоявий волы
в я BwnpM
1 М 1 н И *1Е £ 11 ¡Ti l I
ЕуЬа^нЬ}
Рис.1. Эффект Мпембы при начальных температурах воды 18,6 °С (синяя) и 42,9 °С (красная кривая) [2]
в пластиковых бутылках, удаление из камеры снега и льда для исключения их плавления в процессе замерзания существенно не сказывалось на его проявлении.
Высказывалось множество различных объяснений этого парадокса. Одно из них, выдвинутое в 2017 г, отражает мнение большинства современных учёных, занимавшихся этим вопросом. Оно состоит в том, что по мере нагревания воды водородные связи1 ослабевают, и её молекулы в кластерах занимают такие позиции, при которых им энергетически выгоднее переходить к кристаллической структуре льда [3]. В холодной воде всё происходит также, но энергии на разрыв водородных связей требуется больше, поэтому замерзание осуществляется медленнее [4].
На рис. 2 показана модель объёмной воды, находящейся в адиабатически открытой (т.е. имеющей одинаковое давление с окружающей средой) одномерной трубке при некоторой начальной температуре, охлаждаемой потоком воздуха более низкой температуры. Источник жидкости разделён на объёмную массу слева (В) и поверхностную плёнку (Б) в правой части вдоль оси X, с температуропроводностью2 аВ и а5, соответственно, и отношением плотностей р5 /рВ = 3/414,16. Граница плёнки обозначена как х = 0. Коэффициент теплообмена (испарения) на трубке будет отличаться при отсутствии (] = 1) и наличии (] = 2) плёнки [5].
Но здесь следует учитывать тот факт, что водородные связи очень трудно исследовать, и упомянутые работы группы учёных имеют, по большей части, расчётно-теоретический ха-
рактер. В частности, ими вводится понятие о суперпрочной форме кожи (плёнки) воды, водородно-кислородные связи в которой при температуре плюс 25 °С имеют сходные энергетические характеристики со связями, образующимися во льду при температуре минус 15-20 °С. Несогласованное и взаимокомпен-сирующее воздействие электронов на молекулы воды укорачивает водородную связь Н-О и удлиняет расстояние между несвязанными молекулами О и Н, тем самым обеспечивая двойную поляризацию не связанных между собой молекул. Это усиливает дипольный момент, повышает упругость, вязкость и тепловую устойчивость плёночных форм. При этом потери плотности составляют 25 %, что является причиной гидрофобности и вязкости поверхности воды, а также её сверхтекучести в микроканалах. Все эти эффекты в совокупности приводят к реализации механизма замедления быстрого замораживания холодной воды. Более подробно различные аспекты поведения отличающихся форм воды при положительной комнатной и низкой отрицательной температурах отражены в монографии «Атрибуты воды» [6].
На рис. 3. показана замороженная ёмкость с горячей водой. Следует отметить, что конвекция в горячей воде происходит гораздо эффективнее, поэтому при условии быстрого возникновения ледяной корки с внутренними микроканалами вместо поверхностной плёнки реализуются идеальные условия для проявления эффекта Мпембы как в отрытых, так и в закрытых от испарения ёмкостях с водой.
Ещё одна модель для объяснения этого эффекта основывается на различных распределениях молекул по энергиям в горячей и холодной воде, сильно
4i Л . £ v • . i V Л ■> ••у*
X
е,
Рис. 2. Схема моделирования теплообмена поверхностного слоя и открытой воды с водородными связями (кластерами):
B - массив воды (bulk); S - поверхностная плёнка (skin); aB aS - соответствующие величины температуропроводности; h1, h2 - энтальпии тепловых потоков
1 Водородная связь - форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода, связанным ковалентно с другими электроотрицательными атомами. В качестве последних могут выступать не только кислород, но и азот, фтор и др. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными. Кроме редких исключений (например, фтор) энергия этих связей составляет менее 20-25 КДж/моль.
2 Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) - скорость изменения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. Численно она равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении; в системе СИ измеряется в м2/с.
Рис. 3. Вид замороженной ёмкости с горячей водой
отличающихся от классического распределения Макс-велла-Больцмана. Она также хорошо укладывается в рамки молекулярно-термодинамической теории [7].
Явление «якутского салюта» связано с низкой влажностью воздуха якутской зимы и с достижением по этой причине системой «вода - воздух» точки росы, выпадением влаги в виде взвешенных конденсированных частиц -тумана. Пар, интенсивно образующийся при испарении горячей воды в окрестности разбрызгиваемых капель, тут же поглощается сухим воздухом, который мгновенно охлаждается, конденсируя влагу в виде тумана. Процесс испарения и поглощения протекает в динамике на большой площади мелких водяных капель, поэтому жидкость не успевает превратиться в лёд и нагреть воздух, поскольку для этого требуется дополнительное количество энергии. Система, возможно, выбирает наименее затратный путь, поскольку осуществлять сразу два фазовых перехода (пар - вода и вода - лёд) при этой температуре невыгодно, так как это достаточно энергоёмкие процессы.
Следует отметить, что данный эффект уже давно используется при очищении сточных вод, для выпаривания соли и в градирнях для быстрого охлаждения воды [8]. Величина испарения при турбулентном режиме обтекания капли примерно пропорциональна удельной теплоте воздуха, а поскольку коэффициент теплопередачи сильно зависит от скорости движения воздуха, становится понятным большое влияние воздушной циркуляции на коэффициент испарения (рис. 4).
Таким образом, можно однозначно заключить, что физика процессов в эффекте Мпембы и «якутском салюте» совершенно разная в силу отличающихся условий их проявления. Парадокс Мпембы связан с аномально быстрым замерзанием горячей воды по сравнению с водой комнатной температуры, а зрелищное явление «якутского салюта» воспроизводится в основном за счёт быстрого испарения горячей воды в холодной сухой атмосфере. Следует учитывать, что высокая влажность и недостаточно низкая температура, а также использование холодной воды приведёт либо к полному отсутст-
Рис. 4. Демонстрация «якутского салюта»
вию данного эффекта, либо к потере его зрелищности. Так, в ряде центральных регионов России при низкой температуре (минус 30-35 °С) наблюдаются остаточные капли воды, то есть происходит неполное испарение и быстрое исчезновение облака пара.
Список литературы
1. Mpemba E.B., Osborne D.G. Cool? // Physics Education. - Institute of Physics, 1969. - V. 4, - 3. - P.172-175
2. Эффект Мпембы. Википедия (сетевая энциклопедия). URL : https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_ Мпембы, актуальна на 10.01.22
3. Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li, Dieter Cremer. Different Ways of Hydrogen Bonding in Water -Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Chem. Theory Comput. 2017, 13, 1, 55-76
4. Учёные нашли новое объяснение «парадоксу Мпембы». naked-science.ru, 9 января 2016. URL : https://naked-science.ru/article/sci/uchenye-nashli-novoe-obyasnenie, актуальна на 10.01.2022.
5. Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. Hydrogen-bond memory and water-skin supersolidity resolving the Mpemba paradox // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2014-10-09. — Vol. 16, iss. 42. — P. 22995-2300
6. Chang Q. Sun, Yi Sun. The Attribute of Water Single Notion, Multiple Myths. Springer, 2016. - 494 pp. ISSN 0172-6218 Springer Series in Chemical Physics ISBN 978-981-10-0178-9 ISBN 978-981-10-0180-2 (eBook) DO1 10.1007/978-981-10-0180-2
7. Handbook of thin film technology. / Edited by Leon I. Maissel and Reinhard Glang. McGraw-Hill Book Company, 1970. - 1182 p.
8. Шабалин, А. Ф. Очистка и использование сточных вод на предприятиях чёрной металлургии / А. Ф. Шабалин. - М.: Металлургия, 1968. - 508 с.
9. PAC, 1994, 66, 1077. (Glossary of terms used in physical organic chemistry (IUPAC Recommendations 1994)) on page 1123.
