Почему в воде холоднее чем на воздухе
Почему холодно купаться в воде комнатной температуры?
Что такое комнатная температура? От +15 до +25 градусов, та температура, при которой нам комфортно находиться дома в домашней одежде. А если попробовать приложить эти значения температуры к купанию в воде? Выйдет от «ужасно холодно, купаются одни моржи» до «холодновато, но купаться можно». Почему температуры, комфортные или даже жарковатые для нас на берегу, в воде оказываются совсем некомфортными?
Я помню школьную поездку по путевке в Сочи и экскурсию для нас на озеро Рица. По пути остановились в каком-то ущелье, в котором были небольшие озера, питаемые теплыми и холодными источниками. Причем нам даже разрешили в них искупаться.
Помню, тогда стояла жара и искупаться очень хотелось. И как только разрешили, народ рванул, не слушая преподавателя, пытавшегося нам что-то объяснить. Помню, вход там везде был «организованный»: какие-то ступени, возле каждого спуска стоял плакатик, на котором было написано «столько-то градусов».
Ребята пробежали мимо озер с надписью 5 градусов, 10 градусов, 15 градусов… А когда увидели 18 градусов, что показалось совсем уже теплой водой, всей толпой, сбрасывая на ходу шорты и рубашки, кинулись к воде и все, кроме одного, прыгнули солдатиками. Один прыгнул ласточкой, вынырнув на середине небольшого озера… 
Озеро Рица
Фото: ru.wikipedia.org
Прыгнув солдатиками, ребята, как пингвинчики, выскочили из воды, приземлившись почти там, откуда соскочили. Честно, не видел бы тогда — не поверил бы, что такой «выпрыг» возможен. Как в кино про пингвинов Антарктиды. А тот парень, который вынырнул на середине, рванул к ступенькам выхода с такой скоростью, что мировой рекорд бы побил, наверное. Хотя несся не кролем, а простыми саженками.
Так мы узнали, что вода с температурой +18 на самом деле очень холодная. Тем более по контрасту после сильной жары вокруг.
Люди, занимающиеся нырянием, с маской и трубкой (snorkling) или с аквалангом (diving), знают, что чем глубже — тем холоднее вода. Даже если у поверхности вода имеет температуру 28 градусов, на глубине уже пары метров вода ощутимо прохладнее. А на глубине метров 10 и ниже, рабочей для аквалангистов, уже весьма холодно. Именно поэтому все аквалангисты, даже в тропических морях, когда погружаются на глубины до 20 метров, надевают теплосберегающие костюмы для подводного плавания.
А почему вообще человеку на воздухе при +25 градусах обычно жарко, а в воде такой же температуры прохладно и долго в ней не покупаешься — замерзнешь? 
Для плавания на глубине нужны костюмы
Фото: Depositphotos
Наш организм стремится выдержать оптимальную температуру тела, около 36.6 градусов. На воздухе сделать это просто — одеться в общепринятую в этих местах одежду. Воздух внутри одежды нагреется до комфортной для организма температуры, излишнее тепловыделение прекратится.
А вот когда человек входит в воду такой же температуры, то, во-первых, он скорее всего раздет. А во-вторых, он начинает нагревать воду в слое возле кожи, а нагреть воду — значительно более энергоемкая задача, чем нагреть слой воздуха под футболкой. Притом вода, контактирующая с кожей, постоянно заменяется другой, холодной. Организм начинает тратить на обогрев кожи намного больше энергии, человек начинает зябнуть, а потом замерзает.
Во избежание проблем, связанных с переохлаждением организма при дайвинге, подводной охоте, серфинге и тому подобном, надевают гидрокостюмы.
Судя по западным фильмам, современные девушки, ныряющие с аквалангом, не скупятся на гидрокостюмы. Выходит невероятно эффектно — жилетка минимального гидрокостюма подчеркивает и ее формы, и тот факт, что она не абы что, а с аквалангом ныряет. А микротрусики от купальника подчеркивают все остальные ее достоинства.
Людей, использующих гидрокостюмы, я видел не раз — аттракционщики на пляжах в Турции. Но там они использовали простые мокрые гидрокостюмы. Лишь раз я видел человека, использовавшего для ныряния полный профессиональный гидрокостюм, возможно, даже полусухой. Наблюдал я это много лет назад на Сицилии, на диком пляже за окраиной Палермо. 
Пляж на Сицилии
Фото: Depositphotos
Там был отличный пляж — недалеко от города, у конечной остановки городского автобуса, бухта была прикрыта от ветра и морских волн скалами, пляж был — и каменный, и галечный, и песчаный. И к тому же можно было поплескаться у самого берега, на глубинах «по грудь», посмотреть на рыбок и на водоросли. А можно было отплыть на пару десятков метров, там было песчаное дно с камнями, морскими ежами, рыбой покрупнее, с глубиной примерно 3−5 метров (далее в море было и поглубже). Сам я в маске с трубкой и ластах уплывал в середину бухты и там нырял и плавал час-другой, вода у поверхности была очень теплая, прикрывала от ультрафиолета солнца.
Выстрелив несколько раз и не попав ни в рыб, ни в других купальщиков (они, услышав его вопли, тоже все удрали из воды и смотрели за его эпопеей с пляжа), он взялся за морских ежей. Осторожно, накалывая острогой от ружья, он вытащил с небольшой глубины несколько морских ежей. А потом прямо на пляже они их начали есть. 
Фото: Depositphotos
Морских ежей положено сырыми есть, с лимонным соком. Он разбивал их пополам своим тяжелым ножом, а потом выедал ложкой. Как это есть — мне непонятно посейчас. Сам я морских ежей не пробовал, вежливо отказался, оказалось, на это достаточно посмотреть. Но один знакомый попробовал, а потом долго полоскал рот, чтобы избавиться от послевкусия. А кому-то нравится!
Суета сует! Без какого-то умения в нырянии купил профессиональный костюм ныряльщика, отвалив кучу денег, чтобы побултыхаться в детской части пляжа. Для него, видимо, оно того стоило.
5 аномальных фактов о воде
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.
Переохлаждение организма человека в воде, холодовой шок, опасная температура воды, негативные воздействия холодной воды на организм человека.
Для моряка, оказавшегосяза бортом, большую опасность представляет переохлаждение организма в воде или гипотермия. Необходимо отметить, что переохлаждение организма в воде может привести человека к смерти даже в том случае, когда он подвергается поражающему действию холода, находясь на спасательных средствах.
Переохлаждение организма человека в воде, холодовой шок, опасная температура воды, негативные воздействия холодной воды на организм человека.
Установлено, что понижение температуры тела ниже физиологического минимума приводит к нарушению функций головного мозга, скелетных мышц, сердца. Признакипереохлаждения организма человека появляются в определенной последовательности, отражая понижение температуры внутренней среды организма.
Мышечная дрожь появляется при снижении температуры в прямой кишке с 37 до 36 градусов. Дрожь – асинхронное сокращение мышечных волокон – представляет собой резерв организма в поддержании температуры. Она быстро нарастает до максимума и сотрясает тело человека, оказавшегося в воде, в течение 20–30 минут, а затем постепенно угасает. Температура внутренней среды организма продолжает снижаться.
Любое движение человека начинает сопровождаться болью в мышцах. Когда температура в прямой кишке достигнет примерно 35 градусов, возникают нарушения функций мозга. Появляются сонливость, безразличие к окружающему, ложное ощущение комфорта. Сознание угасает, когда температура снижается до 32–31 градуса. При падении ее до 29–28 градусов прекращаютсядыхание и сердцебиение.
Основываясь на материалах об обстоятельствах гибели людей, потерпевших бедствие на море в различных климатогеографических зонах, специалисты утверждают, что ориентировочные сроки выживания и спасения людей могут быть не более указанных в таблице ниже. Установлено, что опасного для жизни охлаждения тела не происходит даже при длительном пребывании в воде с температурой плюс 33 градуса, поэтому пребывание в ней не ограничено.
Ориентировочное время выживания и время спасения потерпевших бедствие на море в зависимости от температуры воды.
Как видно из приведенных данных, продолжительность нахождения человека в относительно теплой воде безопасна даже в течение нескольких десятков часов, но он и в этих условиях может погибнуть от действия всего комплекса неблагоприятных факторов. Переохлаждения, переутомления, истощения иобезвоживания организма в результате холодного диуреза – усиленного мочеотделения под влиянием переохлаждения организма.
Холодовой шок при длительном пребывании в холодной воде.
Холодная вода в данном случае выступает не только как среда с очень большой теплоемкостью (в 4,2 раза больше теплоемкости воздуха) и теплопроводностью (в 28,7 раза больше теплопроводности воздуха), но и как сильный термический раздражитель, вызывающий сосудистый коллапс (резкое ослабление кровообращения), особенно у незакаленных людей.
Развитию холодового шока способствуют :перегревание организма (длительное пребывание на солнце, работа в машинном отделении и т. п.) перед попаданием в холодную воду, состояние озноба, быстрое погружение в воду без постепенной адаптации. При этом пострадавший, попав в воду, сразу теряет сознание и тонет, не предпринимая никаких действий к своему спасению.
Негативные воздействия холодной воды на организм человека.
Вода с температурой 12 градусов и ниже, как было установлено, вызывает периодическое (каждые 15–30 минут) расширение спазмированных сосудов кожи (феномен Льюиса). Это существенно снижает эффективность вазомоторной (сосудодвигательной) реакции, направленной на регуляцию теплообмена с окружающей средой. Интенсивное переохлаждение организма человека резко стимулирует обменные процессы.
Организм человека при этом быстрее, чем в обычных условиях воздушной среды, расходует легкоусвояемые энергетические субстраты – углеводы и свободные жирные кислоты. Гипергликемия (повышение количества сахара в крови), развивающаяся в результате стресса, в фазе компенсации по мере истощения энергетических ресурсов сменяется нарастающей гипогликемией (снижение концентрации глюкозы в крови).
Энергетические ресурсы практически не успевают израсходоваться лишь в случаях гибели от холодового шока. При остром охлаждении в воде наблюдаются быстрое развитие брадикардии (замедлениесердечной деятельности), а также нарушение ритма и глубины дыхания.
На фоне большого кислородного запроса организма, связанного с активизацией терморегуляторного метаболизма (обмен веществ в организме), эти изменения со стороны дыхательной и сердечно-сосудистой систем существенно снижают уровень оксигенации крови (насыщение кислородом артериальной крови) и тем самым ускоряют развитие гипоксии (снижение содержания кислорода в крови) в организме.
Внезапное действие холодной воды может вызвать расстройство внешнего дыхания (остановку дыхания, удушье) или сердечного ритма в результате обширного раздражения холодовых рецепторов кожи. Вызывая быстрое снижение температуры кожи, особенно конечностей, холодная вода обуславливает потерю тактильной (кожной) и болевой чувствительности, а также резкое снижение мышечной силы.
Исследования и опыт спасения экипажей погибших судов показали, что человек уже через 1–2 минуты нахождения в холодной воде не способен самостоятельно забраться наспасательную шлюпку или плот.
Для острого охлаждения в воде, которое протекает по типу стрессорной реакции на интенсивный раздражитель, характерны серьезные психические расстройства. Они резко снижают возможности организма в борьбе с холодом. При плавании у поверхности воды в наклонно-вертикальном положении угрожающее действие холода сказывается не только на сосудодвигательных центрах спинного мозга потерпевшего, но и непосредственно на его кровеносных сосудах.
В итоге это ведет к быстрому истощению функциональных возможностей сердечно-сосудистой системы. Поэтому гибель переохлажденных, находящихся в воде, наступает не от первичной остановки дыхания, как это бывает в нормальных условиях на суше, а от острой сердечной недостаточности (коллапса, остановки сердца), нередко возникающей на фоне гипогликемической комы (бессознательное состояние). Все перечисленное в значительной степени осложняет спасение человека.
Устойчивость организма человека к охлаждающему действию холодной воды.
Необходимо отметить, что устойчивость к охлаждающему действию воды очень индивидуальна. Согласно данным Медицинского исследовательского совета Великобритании (организация, которая занимается судьбой потерпевших кораблекрушение и изыскивает возможности уменьшить число жертв в открытом море), во время Второй мировой войны было зарегистрировано немало случаев, когда людей удавалось спасти после 60 минутного нахождения в воде, температура которой была ниже 0 градусов, и после 1,5 часового пребывания в воде с температурой плюс 1-3 градуса.
Из 40 человек, извлеченных через 1 час из воды (температура плюс 1,7 градуса), 9 умерли на борту спасательного судна. 1 моряку удалось продержаться в воде (температура плюс 1,7-3 градуса) 20 минут. 6 человек остались живы после пребывания в воде (температура плюс 5) 30 минут. 2 моряков продержались в такой же воде 1,5 часа. 17 человек пробыли в воде (температура плюс 7) 30–45 минут. 2 моряков пробыли в воде при температуре плюс 8 градусов в течение 2 часов. Один из них был спасен, другой умер в спасательной шлюпке. Одному счастливцу удалось остаться живым после того, как он проплавал в воде при температуре плюс 8 градусов в течение 12 часов!
Поразительные случаи спасения людей оказавшихся в ледяной воде.
Поразительные случаи спасения людей, волей судьбы оказавшихся в ледяной воде. 19 января 1965 года в юго-восточной части Берингова моря перевернулись от обледенения и затонули четыре советских траулера : «Севск», «Себеж», «Нахичевань», «Бокситогорск». Случилось это в 100 милях от острова Св. Матвея и 60 милях от острова Св. Павла.
Единственным, кому удалось спастись, был тралмастер А. Охрименко. Он продержался несколько часов в воде с температурой, близкой к точке замерзания, при 10- балльном шторме и морозе минус 21 градус. Данный случай является уникальным в истории катастроф на море.
В 1986 годулодка с 4 исландскими рыбаками внезапно перевернулась. При этом 3 из них удалось ухватиться за киль. Температура воды не превышала плюс 5 градусов. Продержавшись 45 минут, все они вынуждены были поплыть к берегу. Но через 10 минут 2 утонули. И только 3-му удалось преодолеть 5 км до спасительного берега за 5 часов. 23-летний рыбак был ростом 195 см, весил 125 кг и одет только в рубашку и джинсы. Врачи относят этот случай к феноменальным в медицинской практике.
Установлено, что устойчивость к гипотермии выше у людей с выраженным подкожно-жировым слоем и у спортсменов, тренированных к плаванию в холодной воде. Американские исследователи Пу и Эдхолм (1955) наглядно продемонстрировали это, предложив 2 пловцам, один из которых был непривычен к холодной воде, а другой – тренированный «морж», плавать в воде плюс 16 градусов «до отказа».
Первый был вынужден выйти на сушу через 30 минут. Его била дрожь, движения причиняли боль. Температура в прямой кишке снизилась до плюс 34,5 градуса. Второй испытуемый пробыл в воде 6 часов 40 минут. Чувствовал себя хорошо. Снижения температуры тела у него не отмечалось. Путем применения закаливающих процедур, регулярно выполняемых в течение длительного времени, можно достигнуть высокой степени устойчивости кхолодной воде.
Современные рекорды плавания в холодной воде.
В 1987 году 30-летняя американка Л. Кокс покорила вплавь самый холодный из проливов – Берингов. Она преодолела 7 км, затратив на это 2 часа 50 минут в воде, имеющей температуру всего плюс 7 градусов! В 1988 году отважная спортсменка вновь удивила мир. За 4 часа 18 минут она проплыла по озеру Байкал почти 16 км при температуре воды плюс 9-10 градусов. Никому на планете не удавалось подобное.
Нельзя не отметить и еще одно исключительное достижение представительницы прекрасного пола. В 1985 году она осуществила фантазию Жюля Верна – за 80 дней проплыла вокруг света!
По материалам книги Энциклопедия выживания на море.
Потапов А.В.
Почему в воде холоднее чем на воздухе
В воде тело человека охлаждается гораздо быстрее, чем в воздухе такой же температуры. За счёт каких основных видов теплопередачи это происходит? Ответ поясните.
Теплообмен тела человека с окружающей средой может осуществляться, путём всех трёх видов теплопередачи (теплопроводности, конвекции и излучения), а также за счёт испарения воды с поверхности тела.
Перенос тепла в случае теплопроводности прямо пропорционален разности температуры тела и температуры окружающей среды. Чем больше разность температур, тем интенсивнее происходит теплоотдача энергии живым организмом в окружающую среду. Кроме того, большое значение имеет коэффициент теплопроводности окружающей среды. Известно, что коэффициент теплопроводности для воды (при 20 °С) равен 2,1 кДж/(ч·м·°С), а для сухого воздуха – примерно 0,08 кДж/(ч·м·°С). Поэтому для человека теплопроводность через воздух составляет очень незначительную величину.
Теплоотдача излучением для человека в состоянии покоя составляет 43–50% всей потери тепла. Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мкм с максимальной длиной волны в 9 мкм.
Испарение позволяет охлаждать тело даже в том случае, когда температура окружающей среды выше, чем температура тела. При низкой температуре воздуха конвенция и излучение с поверхности тела человека составляют около 90% общей суточной теплоотдачи, а испарение при дыхании – 9–10%. При температуре 18–20 °С теплоотдача за счёт конвенции и излучения уменьшается, а за счёт испарения увеличивается до 25–27%.
При температуре воздуха 34–35 °С испарение пота становится единственным путём, с помощью которого организм освобождается от избыточного тепла. На каждый литр испарившегося пота кожа теряет количество теплоты, равное 2400 кДж, она становится холоднее, охлаждается и протекающая через неё кровь.
Если при температуре окружающей среды 37–39 °С потеря воды с потом составляет около 300 г/ч, то при температуре 42 °С и более она повышается до 1–2 кг/ч. Испарение эффективно только тогда, когда воздух сухой и подвижный. Если воздух влажный и неподвижный, испарение происходит очень медленно. Вот почему особенно тяжело переносится жара во влажных субтропиках.
Самый простой и наиболее эффективный способ охлаждения организма путём испарения (при невысокой физической активности) – усиление дыхания. Ведь лёгкие работают ещё и в качестве холодильника. Выдыхаемый воздух всегда имеет стопроцентную влажность, а на испарение воды с громадной поверхности лёгких уходит большое количество избыточного тепла. Именно так охлаждают свой организм многие животные.
Эффект Мпембы. Длиннотекст.
И так, что это и с чем его едят?
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.
Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.
Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.
В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.
Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.
Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.
Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.