Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Ученый Вашингтонского университета Джонатан Катц предложил свое объяснение загадочного явления, известного еще со времен Аристотеля: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Интерес к этому феномену науки подогрел африканский школьник Эрасто Мпемба. В середине 60-х XX столетия еще, будучи ребенком, он обратил внимание на то, что горячая смесь мороженого застывает быстрее холодной, а после опубликовал статью, посвященную этому феномену, который впоследствии так и назвали его именем. С тех пор было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот парадокс по отдельности или вместе. Вот некоторые из них.

Джонатан Катц в результате своих исследований увидел объяснение этого явления в следующем: в любой воде содержаться примеси, которые придают жесткость воде. При нагревании воды, эти вещества переходят в осадок. По мере остывания воды концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды. Второй причиной, что препятствует замерзанию, ‒ понижение точки замерзания воды. По мнению ученого, вода, которая не подвергалась нагреванию, хуже остывает. Эти утверждения ученый подтверждает результатами своих исследований.

Одной из гипотез, заслуживающей внимания, это парадоксальное явление объясняется тем, что горячая вода быстрее испаряется, тем самым уменьшая свой объем и ускоряя замерзание. Другие ученые объяснили этот факт тем, что на холодной воде может быстро образовываться тонкий замерзший слой, служит своего рода изолятором и снижает скорость охлаждения остального объема. В случае с мороженным ученые объяснили это тем, что, роль такого изолятора может играть слой изморози на стенках морозильной камеры. Горячая вода растапливает его, чем обеспечивается лучший контакт с холодными стенками и более быстрое охлаждение. Наконец, свою роль могут играть растворенные в воде вещества. В горячей воде растворение идет лучше, и при охлаждении в ней появляется больше центров кристаллизации, облегчающих замерзание. Впрочем, что же именно происходит, до сих пор так и не было окончательно выяснено.

Над данным вопросом немало потрудились и физики технологического университета в Сингапуре во главе с Си Чзаном. Ученые связали это явление со строением самой молекулы воды. С курса химии известно, что атом кислорода связан с двумя атомами водорода ковалентной полярной связью. В результате нагревания прочность ковалентной связи нарушается, и отдельные молекулы воды в жидкости связываются менее прочной водородной связью. Прочность ее примерно в 18 раз ниже, чем у ковалентной связи. По мнению сингапурских ученых, дело именно в этом. Вот поэтому горячая вода быстрее охлаждается. Эту гипотезу научные сотрудники во главе с Си Чзаном подтверждают математическими расчетами.