Горячая вода замерзает быстрее? И как работает холодильник

22 377
14 апреля 2022 в 8:00
Автор: Ян Альшевский. Фото: hairfreezingcontest.com

Горячая вода замерзает быстрее? И как работает холодильник

У вас наверняка есть холодильник, а может, и два. И вы прекрасно умеете ими пользоваться и даже уверены, что холодильник охлаждает и замораживает все то, что оказывается внутри него. Но вот в этот момент и начинаются странности. Например, выясняется, что ничего он не охлаждает, а лишь отводит тепло. Занимается этим странная субстанция под названием фреон — хладагент, который забирает «лишнее» тепло во время собственного кипения.


Продолжаем давать простые ответы на сложные вопросы. Ранее мы изучили возможность включить фары на скорости света, рассуждали на тему, сработает ли кока-кола против ржавчины, почему птиц и электриков не бьет током, когда они сидят на проводах, что будет, если Луна упадет на Землю, и почему перец острый. На этот раз прозондируем вопрос о том, действительно ли горячая вода замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная.


Вначале расскажем, как работает холодильник — это тоже интересно. Тем более что существуют заблуждения, связанные с этим простым процессом. Но при желании вы можете сразу перепрыгнуть к вопросу о заморозке горячей и холодной воды в холодильнике.

Как работает холодильник

В бытовых холодильниках используется хладагент с низкой температурой кипения. Чтобы повысить эффективность фреона, в системе создаются благоприятные для этого условия: давление и полная герметизация (не в самом холодильнике, а в контурах охлаждения). Второй аспект — изоляция охлажденного воздуха внутри. Именно поэтому стенки холодильников такие толстые, а резинки дверец должны плотно примыкать к корпусу. Если дверцу оставить открытой, холодильник почувствует себя кондиционером, но надолго его не хватит. То же произойдет, если через задубевший уплотнитель пробирается тепло извне.

Холодильник рекомендуется не использовать в качестве кондиционера и источника освещения

Если смотреть снаружи, у каждого холодильника есть массивный радиатор на задней стенке (правда, во многих современных моделях он может быть спрятан под «фольгой», есть вариации с размещением змеевика сбоку). Его длина обеспечивает эффективное рассеивание фреоном тепла. Поэтому радиатор представляет собой не бак из металла, а длиннющую изогнутую трубку, которую, в свою очередь, крепят к «перекладинам», создающим дополнительную площадь для отвода тепла. Эту внешнюю «решетку» называют конденсатором.

Но есть еще и внутренняя магистраль — испаритель, обычно спрятанный в стенках холодильной и морозильной камер (есть конструкции с испарителем в полках). Вот он и берет на себя основную работу по забору тепла со стенок (они забирают тепло от воздуха внутри, который ласково окутывает продукты) и расположен ближе к внутренней поверхности холодильных камер. В помощь ему иногда добавляют вентиляторы, гоняющие воздух: это позволяет ускорить процесс охлаждения и не дает образовываться конденсату и льду.

Фото: Boots Kitchen Appliances

Фреон по системе двигает компрессор, в цепи также есть фильтр и дроссель, капиллярная трубка — эдакий «пограничник» между конденсатором и охладителем — узкий проход, где сбрасывается давление.

Процесс охлаждения

Компрессор всасывает фреон из трубки, ведущей от испарителя, а затем выталкивает его под давлением через клапан, тем самым разогревая, в конденсатор. Давление меняется с менее чем 1 атмосферы до 8, температура фреона из-за этого подпрыгивает до 100 градусов по Цельсию (температура зависит от типа фреона).

Да, компрессор закачивает в конденсатор на задней стенке «горячий» газообразный хладагент. Он начинает отдавать тепло наружу — потому змеевик нагревается, а хладагент становится все прохладнее (отдает тепло), попутно конденсируясь. Достигнув температуры ниже точки кипения при высоком давлении, фреон переходит в жидкую фазу, попадает в фильтр, который забирает из него невесть откуда взявшиеся влагу и микрочастицы.

После этого настает черед «дросселя» — чтобы увеличить длину, капиллярную трубку закручивают в спираль. Ее малое сечение необходимо для того, чтобы сбросить давление фреона до уровня меньше 1 атмосферы и дальше снизить его температуру. В новых условиях температура кипения хладагента окажется на уровне минус 23 градусов (меньше давление — ниже температура кипения; температуры могут отличаться в зависимости от марки фреона), и он постепенно закипает, используя для этого процесса «продуктовое» тепло, собираемое с помощью испарителей. Кипение, в свою очередь, обеспечивает процесс охлаждения (кипение = поглощение тепла). По пути хладагент «прогревается» и тогда засасывается в компрессор. Все происходит заново.

Теперь главный вопрос:

Почему горячая вода замерзает быстрее?

Честно говоря, правильно будет поставить вопрос так: действительно ли горячая вода может замерзнуть в холодильнике быстрее? Короткий ответ — да. Но он вырван из контекста, так как, кивая головой утвердительно, нужно добавить: при определенных условиях.

Все началось с Мпембы

Откуда вообще растут ноги? Оказывается, существует так называемый эффект Мпембы, получивший свое название в честь школьника Эрасто Мпембы из Танганьики еще в начале шестидесятых годов прошлого века. Согласно легенде, парень поинтересовался у своего преподавателя по физике о причинах того, почему горячая вода замерзает быстрее. Точнее, его интересовало, почему разогретая смесь мороженого застывает в холодильнике быстрее, чем холодная. Преподаватель тогда усмехнулся и иронично потрепал Эрасто по голове. Знал бы учитель, какую интересную тему поднял его подопечный.

Считается, что впервые на эффект Мпембы (называя его, конечно, иначе) обратили внимание Аристотель и Рене Декарт, современным же ученым предстояло найти феномену объяснение. Этой идеей они заразились благодаря Мпембе — или, точнее, физику Деннису Осборну, который оказался с выездной лекцией в школе, где учился мальчик. Забавно, однако за все прошедшие десятилетия однозначного ответа так и не появилось — именно из-за наличия условий, при которых горячая вода действительно замерзает быстрее холодной. Поэтому ученые приходят к разным выводам.

Эрасто Мпемба много лет спустя. Фото: Virdex

Исследования и теории

На этот счет проводилось множество исследований. В 2016 году, например, была опубликована работа испанских физиков. По их данным, возникновение эффекта Мпембы возможно в случае, если существует определенная разница в температуре в емкостях с одинаковым объемом холодного и горячего «чего-то», помещенного в одинаковые условия. Более того, более холодная среда нагревается быстрее, чем менее холодная, — это «обратный эффект Мпембы». Но это была математическая модель, и связана она была с теорией сыпучих тел.

В то же время в одном из строго контролируемых экспериментов их коллег вода, нагретая до температур 21,8, 57,3 и 84,7 градуса, остыла за 6397, 9504 и 10 812 секунд соответственно. То есть кипяток не стал спорить с законами термодинамики.

Существует набор теорий, которые объясняют возможность того, что горячая вода застынет быстрее холодной, окажись она в холодильнике. Согласно одной из них, конвекционные потоки в горячей воде более выражены и остаются такими даже по достижении одинаково низкой температуры с холодным образцом воды. Выглядит не очень вероятно.

Может, горячая вода быстрее испаряется, ее объем уменьшается, и потому она застывает быстрее? Вряд ли объем испарений окажется значимым. То же касается варианта, в котором холодная вода в холодильнике быстрее покрывается льдом, тем самым мешая дальнейшему теплообмену: горячая тоже покрывается льдом.

Также звучит предположение, что горячая вода может содержать меньше растворенных газов и различных примесей, что влияет на температуру ее замерзания, однако это опровергается как минимум исследованием, упомянутым выше (с длительностью замерзания в секундах): там все образцы были предварительно нагреты до температуры кипения.

Впрочем, результаты другого исследования все же указывают на возможность изменения состава воды кипячением и, как следствие, изменения температуры ее кристаллизации (в теории). Тогда возможен вариант, при котором горячая вода замерзает раньше. Или нет — это как повезет. Один из авторов исследования, Джеймс Браунридж, дополняет, что вода вообще редко замерзает при 0 градусов — обычно температура ниже. Поэтому вскипяченная вода может опередить некипяченую, будучи горячее последней.

И наконец, самое очевидное: образец воды, нагретый до 90 градусов, ни при каких обстоятельствах не замерзнет быстрее образца с температурой в 10 градусов — разница должна быть «адекватной» (так себе термин).

В целом Браунридж и некоторые другие ученые сходятся во мнении, что учесть все переменные, которые влияют на скорость замерзания холодной и горячей воды, сложно: необходимо учитывать размеры посуды, размещение образцов в холодильной камере, да даже состав воздуха в ней. Поэтому горячее мороженое Мпембы действительно могло замерзать быстрее холодного — как минимум из-за разного состава и термической обработки. А варианты с суперхлажденной водой или странными химическими составами к эффекту имени танганьиканца отношения не имеют.

Читайте также:

встраиваемый, без No Frost, механическое управление, класс A, полезный объём: 234 л (167 + 67 л), перенавешиваемые двери, лоток для яиц, 54x56x178 см, белый
отдельностоящий, без No Frost, механическое управление, класс A, полезный объём: 173 л (131 + 42 л), перенавешиваемые двери, лоток для яиц, 54.5x60x142.5 см, белый
отдельностоящий, без No Frost, механическое управление, класс A+, полезный объём: 104 л, перенавешиваемые двери, лоток для яиц, 50x53x86 см, белый

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Ян Альшевский. Фото: hairfreezingcontest.com