Хаос. Нелинейная динамика

Американский физик Джеймс Браунридж (James Brownridge) из Университета штата Нью-Йорк в Бингемтоне провел множество экспериментов с различными начальными условиями и установил, в каких именно случаях проявляется так называемый эффект Мпембы. Препринт его статьи можно скачать с сайта arXiv (1003:3185).

Суть эффекта Мпембы заключается в том, что в некоторых случаях нагретая вода может замерзать быстрее, чем холодная. Упоминания об этом можно встретить у Аристотеля, Бэкона и Декарта, но внимание современных ученых к проблеме привлек танзанийский школьник Эрасто Мпемба: в шестидесятых годах прошлого века он заметил, что горячая смесь для приготовления мороженого замерзает быстрее.

У этого явления может быть множество различных причин, и физики долгое время пытались выделить какую-то одну из них. Результаты опытов, в которых необходимо контролировать большое число параметров (форму и тип контейнера, положение образца в морозильном аппарате, положение устройства для измерения температуры и так далее), однако, часто противоречили друг другу. Кроме того, экспериментаторы по-разному определяли момент замерзания воды.

В своей работе г-н Браунридж рассматривал в качестве измеряемой характеристики момент выделения скрытой теплоты - теплоты, поглощаемой или выделяемой веществом при фазовом превращении без изменения температуры. Начав с экспериментов с различными емкостями, типами жидкостей и растворенными в них веществами, ученый постепенно перешел к опытам с водой в запечатанных пробирках из термостойкого стекла.

Известно, что температура, при которой вода начинает превращаться в лед, зависит от примесей, служащих центрами кристаллизации. В обычной воде находятся частицы пыли, бактерии, растворенные соли, и все они могут инициировать замерзание при некоторой температуре; та примесь, у которой эта температура максимальна, и будет определять момент превращения в твердое тело. "Вода редко начинает замерзать при 0 зC, - отмечает автор. - Обычно она переохлаждается, и процесс стартует при отрицательной температуре".

Ученый долго экспериментировал с шестью запечатанными пробирками, в трех из которых находилась водопроводная вода, а в оставшихся - деионизированная дистиллированная вода. Проведя 27 циклов замерзания и оттаивания, он определил ту среднюю температуру, при которой жидкость в каждой пробирке начинает превращаться в лед. Затем ученый на два часа поместил образцы в кипящую воду, провел следующие 22 цикла, продержал пробирки еще три часа в кипящей воде и снова оценил характеристики жидкости. Как выяснилось, нагревание может заметно изменять температуру замерзания воды; по мнению г- на Браунриджа, это связано с образованием и разрушением центров кристаллизации.

По результатам этих опытов исследователь отобрал две пробирки, средняя температура замерзания воды в которых отличалась примерно на 5,5 зC. Используя эти два образца, Джеймс Браунридж сумел воспроизвести эффект Мпембы 28 раз подряд. Та вода, у которой температура замерзания выше, нагревалась до 100 зC, а жидкость в другой пробирке находилась при температуре 25 зC или более низкой, но при охлаждении первая пробирка неизменно опережала вторую. Может показаться странным, что огромная начальная разница температур компенсируется смещением "линии финиша" всего на 5 градусов, но объяснить это несложно: основной этап охлаждения горячего образца завершается очень быстро, поскольку его температура намного отличается от температуры в морозильной камере.

Таким образом, для наблюдения эффекта Мпембы - при создании одинаковых условий для сравниваемых в эксперименте образцов - необходимы, по мнению ученого, переохлаждение воды и наличие большой разницы в "естественных" температурах замерзания.

Подготовлено по материалам NewScientist.