Эксперимент Эрасто Мпембы

В африканской стране Танзании, в маленьком городе Магамба, живет смышленый мальчик Эрасто Мпемба. Он очень любит самодельное мороженое, которое он и его товарищи делают в школе: они кипятят молоко с сахаром, дают ему остыть и ставят в морозильник.

И вот какая история произошла однажды с этим мороженым. Опасаясь, что ему не хватит места в холодильнике, Мпемба первым поставил туда свой стакан, не дождавшись, пока он остынет. Это заметил его приятель и, чтобы не отстать, не стал даже кипятить свое молоко, а сразу поставил его в холодильник. Час спустя мальчики открыли дверцу — и не поверили своим глазам: молоко, поставленное в морозильник холодным, еще не замерзло, а в стакане Мпембы оно уже превратилось в сладкую ледышку!

Как это могло произойти? Получается, что горячее замерзает быстрее, чем холодное? Мпемба пошел к учителю физики, но тот уверенно сказал, что этого не может быть. Так и считали все Мпембу фантазером, пока в городок не приехал читать лекции настоящий ученый из столицы Танзании Дар-эс-Салама — доктор Осборн. Набравшись храбрости, Мпемба пошел к нему и рассказал о случае с мороженым. Осборн тоже сначала было не поверил, но все- таки не поленился поэкспериментировать с холодной и горячей водой в своем холодильнике. И представьте себе — он убедился, что Мпемба прав!..

Эту историю рассказал в июне прошлого года английский научно-популярный журнал «Ныо сайентист». Там даже было приведено объяснение, которое дал этому факту Осборн: по его мнению, дело в том, что в стакане с горячей водой благодаря более сильной конвекции поверхностный слой всегда гораздо теплее, чем в стакане с холодной, а значит, и теплоотдача с поверхности в нем больше. Правда, Осборн честно признал, что это лишь его предположение.

Опыт Мпембы неожиданно привлек большое внимание читателей журнала. В редакцию посыпались письма. Один учитель из Бирмингема сообщил, что и его недавно точно так же поставил в тупик один из учеников. «Он раздобыл две одинаковые банки, — писал учитель, — и налил в одну горячую воду (около 50°С), а б другую — холодную (около 20°С). К моему изумлению и его радости, поверхность воды в первой банке действительно подернулась льдом раньше».

Дальше пошли письма с истолкованием этого чуда. Любопытно, что проверить, происходит ли оно на самом деле, судя по этим письмам, не потрудился ни один из читателей. Зато всем были ясны его причины, и в каждом письме — разные: одни указывали на большую вязкость холодной жидкости, замедляющую теплообмен, другие — на то, что в горячей воде содержится меньше растворенных газов, третьи — на потерю массы вследствие испарения.

Наконец, в сентябре «Нью сайентист» сообщил, что проблема решена. По свидетельству серьезной научной статьи в «Американском физическом журнале», канадский ученый С. Келл рассчитал процесс на вычислительной машине, провел «простейшие эксперименты» и пришел к выводу, что дело все-таки в испарении из горячего сосуда и в связанной с этим потере массы. У Келла получилось, что дольше всего должна замерзать вода, начальная температура которой 23°С, а тот же объем, например, кипятка замерзает на 10% быстрее. Кроме того, под горячим сосудом протаивает слой инея, обычно покрывающий морозильник, и это улучшает теплоотдачу.

Все это очень правдоподобно и поучительно. Если только не считать того пустякового обстоятельства, что все предварительные опыты, поставленные сотрудниками «Химии и жизни» в собственных домашних холодильниках, окончились неудачей: горячее молоко упорно не желало замерзать первым!..

Мы, конечно, не знаем в точности тех условий, в каких проводились эксперименты в Магамбе, Бирмингеме и Оттаве. Может быть, мы что-нибудь делали не так?

Зато у нас на всякий случай готово объяснение того, почему горячая жидкость не должна замерзать раньше. Ведь для этого она должна первой достигнуть точки замерзания, то есть ее температура, первоначально более высокая, должна сначала сравняться с температурой холодной жидкости. А как только это произошло, почему, собственно, она должна после этого остывать быстрее? Неужели вода помнит, что когда-то она была горячее?

В общем, мы предлагаем читателям разобраться в этой проблеме. Никакого сложного оборудования для экспериментов не требуется: понадобится два одинаковых сосуда, достаточно мощный холодильник, желательно — два термометра и, пожалуй, все. Конечно, если у кого-нибудь найдется вычислительная машина, то пригодится и она. Только не ставьте в морозильник много горячей воды: это вредно для холодильного агрегата.

Что у вас получилось? Как это можно объяснить? Напишите, пожалуйста, в редакцию: нам самим гоже интересно узнать, в чем же дело!

Наш журнал неоднократно писал об этом явлении. Все статьи по теме можно найти в подборке «Эффект Мпембы».