Коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена? Тайната на бързото замръзване на топлата вода е разкрита Коя вода замръзва по-бързо, горещата или студената?

Ефектът Мпемба или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената? Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода по време на процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура. Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. ученикът от Танзания Ерасто Мпемба открива, че горещата сладоледена смес замръзва по-бързо от студената. Като ученик в гимназия Магамби в Танзания, Ерасто Мпемба е работил на практика като готвач. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C. Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да се обясни в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба: Изпаряване Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема му, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C. Ефектът от изпарението е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява. Температурна разлика Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и горещата вода се охлажда по-бързо. Хипотермия Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20 C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се случва следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba. Конвекция Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е с по-малка плътност от водата при температура 4 C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, издигайки слоя топла вода към повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C. Въпреки това, няма експериментални данни, които биха потвърдили тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция. Газове, разтворени във вода Водата винаги съдържа разтворени газове в нея - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт. Топлопроводимост Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но ясен отговор на въпроса кои от тях осигуряват стопроцентово възпроизвеждане на ефекта Мпемба, така и не е получен. Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се каже само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда. О. В. Мосин

Феноменът на замръзване на гореща вода с по-бърза скорост от студената вода е известен в науката като ефекта на Мпемба. Големи умове като Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт са размишлявали върху този парадоксален феномен, но в продължение на хиляди години никой все още не е успял да предложи разумно обяснение на този феномен.

Едва през 1963 г. ученик от Република Танганайка, Ерасто Мпемба, забеляза този ефект на примера на сладолед, но никой възрастен не му даде обяснение. Въпреки това физиците и химиците сериозно са се замислили върху толкова просто, но толкова неразбираемо явление.

Оттогава се изказват различни версии, една от които е следната: част от горещата вода първо просто се изпарява, а след това, когато остане по-малко, водата замръзва по-бързо. Тази версия, поради своята простота, стана най-популярната, но не задоволи напълно учените.

Сега екип от изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур, ръководен от химика Си Джан, казва, че е разрешил вековната мистерия защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Както установиха китайски експерти, тайната се крие в количеството енергия, съхранявана във водородните връзки между водните молекули.

Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг известен факт е, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули – образуват се водородни връзки.

В същото време водните молекули обикновено се отблъскват една друга. Учени от Сингапур забелязаха: колкото по-топла е водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите на течността поради увеличаване на отблъскващите сили. В резултат на това водородните връзки се разтягат и следователно съхраняват повече енергия. Тази енергия се освобождава, когато водата се охлади - молекулите се приближават една до друга. А освобождаването на енергия, както е известно, означава охлаждане.

Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на уебсайта за предпечат arXiv.org, в гореща вода водородните връзки са по-силни, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина втвърдяването става по-бързо.

Към днешна дата учените са разрешили тази мистерия само теоретично. Когато представят убедителни доказателства за своята версия, въпросът защо топлата вода замръзва по-бързо от студената може да се счита за приключен.

Британското Кралско дружество по химия предлага награда от £1000 на всеки, който може научно да обясни защо горещата вода замръзва по-бързо от студената в някои случаи.

„Съвременната наука все още не може да отговори на този на пръв поглед прост въпрос. Производителите на сладолед и барманите използват този ефект в ежедневната си работа, но никой не знае защо работи. Този проблем е известен от хилядолетия, като философи като Аристотел и Декарт са мислили за него“, каза професор Дейвид Филипс, президент на Британското кралско дружество по химия, цитиран в прессъобщение на обществото.

Как готвач от Африка победи британски професор по физика

Това не е първоаприлска шега, а сурова физическа реалност. Съвременната наука, която лесно оперира с галактики и черни дупки и изгражда гигантски ускорители за търсене на кварки и бозони, не може да обясни как „работи“ елементарната вода. Училищният учебник ясно казва, че охлаждането на по-горещо тяло отнема повече време, отколкото охлаждането на студено тяло. Но за водата този закон не винаги се спазва. Аристотел обръща внимание на този парадокс през 4 век пр.н.е. д. Ето какво пише древният грък в своята книга Meteorologica I: „Фактът, че водата е предварително загрята, я кара да замръзва. Затова много хора, когато искат по-бързо да охладят топлата вода, първо я излагат на слънце...” През Средновековието Франсис Бейкън и Рене Декарт се опитват да обяснят този феномен. Уви, нито великите философи, нито многобройните учени, развили класическата топлофизика, не успяха в това и затова такъв неудобен факт беше „забравен“ за дълго време.

И едва през 1968 г. те „се сетиха“ благодарение на ученика Ерасто Мпембе от Танзания, далеч от всякаква наука. Докато учи в училище по кулинарни изкуства през 1963 г., 13-годишният Mpembe получава задачата да направи сладолед. Според технологията беше необходимо да се свари млякото, да се разтвори в него захар, да се охлади до стайна температура и след това да се постави в хладилника за замръзване. Очевидно Мпемба не е бил прилежен ученик и се е поколебал. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзна дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по всички правила.

Когато Мпемба споделил откритието си с учителя си по физика, той му се изсмял пред целия клас. Мпемба си спомни обидата. Пет години по-късно, вече студент в университета в Дар ес Салаам, той посещава лекция на известния физик Денис Г. Осбърн. След лекцията той зададе въпрос на учения: „Ако вземете два еднакви съда с равни количества вода, единият при 35 °C (95 °F), а другият при 100 °C (212 °F), и ги поставите във фризера, тогава водата в горещ съд ще замръзне по-бързо. Защо?" Можете да си представите реакцията на британски професор на въпрос на млад мъж от Godforsaken Tanzania. Той се подигра на ученика. Мпемба обаче бил готов на такъв отговор и предизвикал учения на облог. Спорът им завърши с експериментален тест, който потвърди, че Мпемба е прав и Осбърн е победен. Така чиракът готвач записа името си в историята на науката и от днес нататък това явление се нарича „ефектът на Мпемба“. Невъзможно е да го изхвърлите, да го обявите за „несъществуващ“. Феноменът съществува и, както е написал поетът, „не боли“.

Праховите частици и разтворените вещества ли са виновни?

През годините мнозина са се опитвали да разгадаят мистерията на замръзването на водата. Предложени са цял куп обяснения за това явление: изпарение, конвекция, влияние на разтворени вещества - но нито един от тези фактори не може да се счита за окончателен. Редица учени са посветили целия си живот на ефекта Мпемба. Джеймс Браунридж, член на Департамента по радиационна безопасност в Държавния университет на Ню Йорк, изучава парадокса в свободното си време от десетилетие. След провеждане на стотици експерименти, ученият твърди, че има доказателства за „вината“ на хипотермията. Браунридж обяснява, че при 0°C водата само се преохлажда и започва да замръзва, когато температурата падне под. Точката на замръзване се регулира от примесите във водата - те променят скоростта на образуване на ледени кристали. Примесите, като прахови частици, бактерии и разтворени соли, имат характерна температура на нуклеация, когато ледените кристали се образуват около центровете на кристализация. Когато няколко елемента присъстват във водата наведнъж, точката на замръзване се определя от този, който има най-висока температура на нуклеация.

За експеримента Браунридж взема две водни проби с еднаква температура и ги поставя във фризера. Той откри, че един от образците винаги замръзва преди другия, вероятно поради различна комбинация от примеси.

Браунридж казва, че горещата вода се охлажда по-бързо, защото има по-голяма разлика между температурата на водата и фризера - това й помага да достигне точката си на замръзване, преди студената вода да достигне естествената си точка на замръзване, която е поне с 5°C по-ниска.

Разсъжденията на Браунридж обаче повдигат много въпроси. Следователно тези, които могат да обяснят ефекта на Мпемба по свой начин, имат шанс да се състезават за хиляда лири стерлинги от Британското кралско дружество по химия.

Водата е една от най-удивителните течности в света, която има необичайни свойства. Например, ледът, твърдо течно състояние, има специфично тегло, по-ниско от самата вода, което направи появата и развитието на живота на Земята до голяма степен възможно. Освен това в псевдонаучния и научен свят се водят дискусии коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Всеки, който успее да докаже, че горещата течност замръзва по-бързо при определени условия и научно обоснове своето решение, ще получи награда от £1000 от Британското кралско дружество на химиците.

Заден план

Фактът, че при редица условия топлата вода замръзва по-бързо от студената е забелязан още през Средновековието. Франсис Бейкън и Рене Декарт положиха много усилия, за да обяснят този феномен. Въпреки това, от гледна точка на класическата топлотехника, този парадокс не може да бъде обяснен и те се опитаха срамежливо да го премълчат. Импулсът за продължаване на дебата беше една малко любопитна история, която се случи с танзанийския ученик Ерасто Мпемба през 1963 г. Един ден, по време на урок по приготвяне на десерти в училище за готвачи, момчето, разсеяно от други неща, нямаше време да охлади сместа за сладолед навреме и постави горещ разтвор на захар в мляко във фризера. За негова изненада продуктът се охлади малко по-бързо от този на неговите състуденти, които спазваха температурния режим за приготвяне на сладолед.

Опитвайки се да разбере същността на явлението, момчето се обърна към учител по физика, който, без да навлиза в подробности, осмива кулинарните му експерименти. Ерасто обаче се отличаваше със завидна упоритост и продължи експериментите си не върху мляко, а върху вода. Той се убеди, че в някои случаи топлата вода замръзва по-бързо от студената.

След като влезе в университета в Дар ес Салаам, Ерасто Мпембе посети лекция на професор Денис Г. Осбърн. След завършването му студентът озадачи учения със задача за скоростта на замръзване на водата в зависимост от нейната температура. Д.Г. Озбърн се подиграва на самото поставяне на въпроса, заявявайки с апломб, че всеки беден ученик знае, че студената вода ще замръзне по-бързо. Но естествената упоритост на младия мъж се усети. Той се обзаложи с професора, предлагайки да проведе експериментален тест точно тук, в лабораторията. Erasto постави два контейнера с вода във фризера, единият при 95°F (35°C), а другият при 212°F (100°C). Представете си изненадата на професора и околните „фенове“, когато водата във втория контейнер замръзна по-бързо. Оттогава това явление е наречено „Парадоксът на Мпемба“.

Към днешна дата обаче няма последователна теоретична хипотеза, обясняваща „парадокса на Мпемба“. Не е ясно какви външни фактори, химичният състав на водата, наличието на разтворени газове и минерали в нея, влияят върху скоростта на замръзване на течности при различни температури. Парадоксът на „Ефекта на Мпемба“ е, че той противоречи на един от законите, открити от И. Нютон, който гласи, че времето за охлаждане на водата е право пропорционално на температурната разлика между течността и околната среда. И ако всички други течности напълно се подчиняват на този закон, тогава водата в някои случаи е изключение.

Защо горещата вода замръзва по-бързо?T

Има няколко версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Основните са:

горещата вода се изпарява по-бързо, докато нейният обем намалява, а по-малък обем течност се охлажда по-бързо - при охлаждане на вода от + 100 ° C до 0 ° C обемните загуби при атмосферно налягане достигат 15%;
колкото по-голяма е температурната разлика, толкова по-голяма е температурната разлика, толкова по-висока е интензивността на топлообмена между течността и околната среда, така че загубата на топлина от вряща вода става по-бързо;
когато горещата вода се охлади, на повърхността й се образува ледена кора, която предотвратява пълното замръзване и изпаряване на течността;
при високи температури на водата се получава конвекционно смесване, което намалява времето за замръзване;
Газовете, разтворени във вода, понижават точката на замръзване, отнемайки енергия за образуване на кристали - в горещата вода няма разтворени газове.

Всички тези условия са многократно тествани експериментално. По-специално, немският учен Дейвид Ауербах откри, че температурата на кристализация на горещата вода е малко по-висока от тази на студената вода, което позволява на първата да замръзне по-бързо. По-късно обаче опитите му са критикувани и много учени са убедени, че „Ефектът на Мпемба“, който определя коя вода замръзва по-бързо – гореща или студена, може да се възпроизведе само при определени условия, които никой досега не е търсил и уточнявал.

През 1963 г. танзанийски ученик на име Ерасто Мпемба задал глупав въпрос на своя учител - защо топлият сладолед във фризера му замръзва по-бързо от студения?

Като ученик в гимназия Магамби в Танзания, Ерасто Мпемба е работил на практика като готвач. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.

Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е универсална физика, а физика на Мпемба.“ След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода.

Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба.

Интересувате ли се да разберете защо се случва това? Само преди няколко години учените успяха да обяснят този феномен...

Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода по време на процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.

Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг добре известен факт е, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули – образуват се водородни връзки.

Ето предположенията на учените:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100°C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0°C. Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, поради изпарението температурата му намалява.

Температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.

Хипотермия
Когато водата се охлади под 0°C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20°C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, която не е преохладена, се случва следното: на повърхността й се образува тънък слой лед, който действа като изолатор между водата и студения въздух и по този начин предотвратява по-нататъшното изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4°C. Ако охладите водата до 4°C и я поставите в среда с по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия тънък слой лед ще се образува на повърхността на водата за кратко време, но този слой лед ще действа като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4°C . Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, извеждайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 ° C. Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.

Газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - така и не е получен. Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се каже само едно: възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

Но както се казва, най-вероятната причина.

Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на уебсайта за предпечат arXiv.org, водородните връзки са по-силни в гореща вода, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина втвърдяването става по-бързо.