Почему лед заливают горячей водой

Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)

Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.

На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.

История вопроса

Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.

Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.

В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.

Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).

Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.

Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.

Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)

Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.

Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер. ~ в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.

Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.

Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.

Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.

Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!

В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.

Почему новое объяснение лучше предыдущих?

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).

Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.

Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.

Как бы то ни было, теория у них интересная.

P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).

Литература

Литература

Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox

почему «опять объяснили»- а потому что уже было:

1. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021060
   Неравновесные марковские процессы: могут идти по некоторым необычным траекториям сильно быстрее, чем равновесные, поэтому быстрое охлаждение кипятка сваливается на такую «ускоренную» траекторию, и обгоняет холодную воду (которая остывает в более равновесных условиях).
2. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.6b00735
   Кластеры (тоже из-за водородных связей), которые мешают кристаллизации. В кипятке такие кластеры отсутствуют, и при его замерзании не успевают сформироваться, а в воде, длительное время бывшей холодной вне морозилки- успевают, и не дают ей нормально заморозиться.
3. https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.18059
   Переохлаждение ниже точки замерзания, которое в изначально горячей воде слабее выражено, ибо беспорядка больше, а упорядочиваться в морозилке в процессе замерзания- времени не хватает. (но тут явно проблема- в экспериментах вся кривая охлаждения горячей воды идет круче холодной, а не только процесс замерзания, и этот «беспорядок» на теплопроводность и охлаждение если и должен влиять- то как раз замедляя охлаждение, а наблюдается- ускорение).
4. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700716302869
   Испаряется вода с поверхности, и уносит тепло. У горячей воды- быстрее (только непонятно, почему после выравнивания температур та вода, которая была горячей- продолжает испаряться активнее, хотя она уже холоднее той воды, которая изначально была холодная).
5. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931014008072
   Всему виной конвекция, которая улучшает теплообмен (конвекционные потоки крутятся по инерции и после того, как температура стаканов выровнялась и еще долго после этого).
6. American Journal of Physics 77, 27 (2009); https://doi.org/10.1119/1.2996187
   Во всем виновато растворение примесей (газов?). В кипятке примесей меньше, замерзание быстрее.

Многобукфф

Британские ученые хоть что-то сделали полезное. Еще в далеком 1996-м году, достоверно выяснили почему горячая вода застывает в лед быстрее, чем холодная.

Данный феномен объясняется весьма просто. В горячей воде гораздо меньше растворенного воздуха чем в холодной. Соответственно отсутствие воздуха позволяет воде замерзать уже при нулевой температуре, когда для газированной воды требуется более холодная температура.
Отсюда, катки например, заливают горячей водой, так они быстрее схватываются и в самом льде меньше пузырьков, которые портят прочность покрытия. А если воду для катка предварительно еще и деаэрировать, то качество покрытия будет еще выше, а замерзнет оно еще быстрее.

А вот для приготовления льда с пузыриками, наоборот следует максимально загазировать воду и начинать охлаждать ее уже холодной.

Кстати, еще немного по поводу катка и почему по нему скользят. Многие из нас думают, что когда по катку едешь на коньках, то за счет высокого давления полозьев коньков о лед, лед под коньками тает и коньки скользят по водяной подушке. А ведь на льду можно прекрасно скользить не только на коньках, но и на обычной обуви. А дело в том, что весь лед покрыт тончайшим слоем воды, а не только в месте контакта коньков. Отсюда и его необычайная скользкость.

Водяная пленка на льду, это особенность самого льда, и возникает из-за состояния фаз перехода вещества из одного состояния в другое. Этим и объясняется эффект «склеивания» двух кусочков льда, или влажного снега. При соединении двух кусочков льда, необходимость фазового перехода исчезает и лед склеивается. Такое поведение льда сохраняется до -60С. А вот с понижением температуры уже не покатаешься по катку на коньках.

Да, кстати, у льда уже известно 15 различных твердых видов, и целых три аморфных. Правда в земных условиях встречается только два вида льда, один из которых образуется высоко-высоко в атмосфере. Различаются они разумеется своей структурой, кристаллической решеткой. Однако, этот факт, был даже обыгран Куртом Воннегутом в своем романе «Колыбелька для кошки» (Cat’s Cradle) в 1963-м году. Где землю постигла глобальная экологическая катастрофа из-за льда-9.

Опубликовано 13.09.2012 автором kvv213 в следующих категориях:
Google+

ОАЗВ почему каток заливают горячей водой?

Собственно, самое то для 12 ночи. 😀
Стало интересно — почему каток заливают горячей водой? Ведь можно и холодной — эффект тот же, вроде.

https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997607/
00:02, 07.03.2015
А у Яндекса спросить?:-)
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997609/
00:03, 07.03.2015
От пользователя Наномедвед )
почему каток заливают горячей водой? Ведь можно и холодной

горячая растекается ровнее? Застывает плавнее — более гладкий лед

https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997611/
00:03, 07.03.2015
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997612/
00:04, 07.03.2015
ровнее лёд
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997613/
00:04, 07.03.2015
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997614/
00:04, 07.03.2015
От пользователя DiEgo
горячая растекается ровнее? Застывает плавнее — более гладкий лед
От пользователя физкульт-привет!

Бред 😀
-Чтобы вода успела растечься ровным слоем, не замерзнув.
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997615/
00:05, 07.03.2015
От пользователя физкульт-привет!

«теплая быстрее замерзает» 😡
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997620/
00:06, 07.03.2015
От пользователя kzv
«теплая быстрее замерзает»

законы физики подкупили видимо 😀
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997623/
00:06, 07.03.2015
От пользователя физкульт-привет!
От пользователя физкульт-привет!

Вы сами себе противоречите. По ссылкам то ходили?
По первой — чтобы растекалась дольше и не замерзала.
По второй — горячая вода замерзает быстрее.
Вы по ссылкам то ходит-гуглить я тоже умею.

https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997624/
00:06, 07.03.2015
От пользователя Наномедвед )
почему каток заливают горячей водой? Ведь можно и холодной — эффект тот же, вроде.
+

и пуздырьковь нет и ровнее))))
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997625/
00:07, 07.03.2015
товарищь минусист открой тайну уже :ultra:
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997629/
00:08, 07.03.2015
От пользователя kzv
«теплая быстрее замерзает»

То есть теплая вода быстрее понижает температуру, чем холодная? 😀

От пользователя DiEgo
законы физики подкупили видимо
https://m.e1.ru/f/go/67/14997607/14997630/
00:09, 07.03.2015

Парадоксально, но горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, поэтому катки заливают горячей водой. В физике этот феномен называется «эффектом Мпембы». Почему? Потому что 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, 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».

Источник: 5 вещей, которые наука до сих пор не может объяснить
© Русская Семерка russian7.ru

[Сообщение изменено пользователем 07.03.2015 00:10]

Как залить каток во дворе своими руками

Зима — замечательная пора. Белый пушистый снег, ледяные горки, веселые катания и масса свежих эмоций и удовольствия. У многих с детства зима ассоциируется с чем-то сказочным и волшебным. К сожалению, не всегда есть время и возможность посещать какие-либо увеселительные мероприятия, а так хочется веселого времяпровождения. Владельцам дачных участков решить эту проблему не так уж и сложно: необходимо лишь знать, как залить каток во дворе своими руками.

Место для катка

Многие не раз задавались вопросом, как сделать каток своими руками во дворе дома или в любом другом подходящем для этого месте. Может показаться, что заливка катка — дело непосильное для человека, который раньше никогда такого не практиковал. Однако это не так. Необходимо лишь обладать некоторыми знаниями, благодаря которым лед, действительно, получится на славу и будет радовать всех катающихся в холодную зимнюю пору.

Если принято решение залить каток своими руками необходимо, прежде всего, найти подходящее место на придомовой территории своего частного владения или же в любом другом подходящем месте. Важно учесть, чтобы эта территория не охранялась специальными службами или доступ к ней не был загорожен какими-либо старыми постройками .

На придомовой территории лучше всего использовать задний двор. Как правило, там имеются все необходимые условия для заливки катка: относительно ровная поверхность земли, доступ к воде и возможность постоянного контроля за состоянием катка.

Больше всего для заливки катка подходит твердая поверхность, иначе будет расходоваться большой объем воды, а лед со временем может потрескаться. Однако, за неимением достаточно твердой поверхности ледовую площадку можно обустроить и на газоне, соблюдая необходимые правила.

Примечательно, что наилучшей основой под заливку льда является асфальт, благодаря своим сверхпрочным характеристикам. Таким образом лед формируется быстро и выдерживает очень большую нагрузку.

Подготовка участка

После того как был подобран подходящий участок, необходимо произвести следующие манипуляции:

1. Отметить границы будущего катка;
2. По его периметру сделать валик из снега высотой 7−10 см, дабы вода не выливалась за пределы отмеченного участка;
3. Как следует расчистить площадку от сугроба и удалить все инородные предметы. В этом деле придет на помощь снегоуборочная машина или обычная лопата. Площадь под заливку льда должна быть как можно более ровной, небольшой слой снега должен покрывать ее поверхность (3−5 см). Если встречаются ямки, их нужно засыпать снегом и уплотнить;
4. По возможности (необязательно) засыпать поверхность песком слоем не менее 5 см;
5. Песок сверху засыпать снегом толщиной не менее 8−10 см, разровнять его и утрамбовать при помощи лопаты или тяжелой техники (чем плотнее будет поверхность снега, тем надежнее получится лед);
6. Оставить площадку стоять в таком состоянии как минимум сутки при морозе, благодаря чему снег еще более уплотнится;
7. При необходимости можно установить вокруг площадки заграждение из фанеры или сетки.

Теперь можно приступать непосредственно к процессу самой заливки.

Заливка льда

Вот и настал самый волнующий момент — заливка льда. К нему нужно подойти с особой ответственностью и соблюсти все необходимые правила:

• Заливать участок следует в тихую ясную погоду при температуре воздуха не выше — 5 °C.
• Начинать заливку следует с дальней стороны площадки, постепенно отступая. Необходимо также следить, чтобы не оставалось участков, не залитых водой.
• Обработать участок водой с температурным показателем не более +5°С (в противном случае снег будет быстро таять и создавать ямки), используя для этого садовый распрыскиватель. Для усиления эффекта процедуру можно повторить после того, как участок покроется твердой ледяной коркой.
• Для более качественной заливки катка нужно использовать Т-образную конструкцию из труб, сооруженную своими руками. В трубе диаметром 25 мм и примерно 150 см в длину сверлится множество отверстий (чем больше, тем лучше), после чего труба оборачивается мягкой материей, приваривается труба для подачи воды. Затем в это приспособление подается вода, которой заливается нужная территория. Заливка при помощи такого устройства становится очень легкой и приятной процедурой, потому как вода равномерно распределяется по всей поверхности.
• Если же для заливки используется шланг насоса, необходимо помнить, что струя должна быть направлена вверх и ниспадать «веером», чтобы поверхность льда была ровной. Рекомендуемый угол наклона шланга 35−45 градусов.
• Желательно залить площадку не менее трех раз с интервалом в 3−4 часа, чтобы лед стал максимально крепким. Перед каждой новой заливкой следует очищать лед, убирая трещины при помощи мокрого снега. В итоге толщина льда должна получиться не менее 12−15 см.
• Последний раз каток должен заливаться теплой водой. Некоторые задаются вопросом: почему каток заливают горячей водой, а не холодной. Все дело в том, что под действием теплой (либо горячей) воды лед будет постепенно выравниваться и станет более качественным.

При появлении небольших ямок на льду их необходимо просто залить холодной водой, после чего поверхность катка снова заливается. Таким образом катот станет более ровным.

Зная, как сделать каток собственноручно, можно сэкономить деньги и время на посещение дорогостоящих городских катков закрытого типа. При этом собственная ледовая площадка, при должном уходе за ней, будет радовать своих хозяев на протяжении долгого времени.

Украшение территории

Украсить территорию вокруг катка можно различными способами, например, вылепить снежных человечков, соорудить из гирлянды причудливые и замысловатые фигурки животных или другие узоры. В этом случае полет фантазии автора ничем не ограничен.

Также следует позаботиться об освещении катка, так как катание на нем, скорее всего, будет часто происходить в вечернее время. Здесь в ход пойдут уличные LED-прожекторы и другие осветительные приборы. Главное, подвести сеть электроснабжения к катку.

Электрические гирлянды послужат не только в качестве освещения участка, но и создадут невероятно романтическую и волшебную атмосферу.

Создание катка своими силами — не такая сложная задача. Нужно немного терпения, а также знание и соблюдение определенных правил, ну и, конечно же, большое желание и неуемная фантазия для воплощения задуманного в жизнь.