Varmt eller koldt vand fryser hurtigere. Video: hvilket vand fryser hurtigere - varmt eller koldt

Mange forskere har fremsat og fremsætter deres versioner af hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt. Det ville virke som et paradoks - trods alt skal varmt vand først køle af for at fryse. Faktum er dog stadig en kendsgerning, og videnskabsmænd forklarer det på forskellige måder.

Store versioner

På dette øjeblik Der er flere versioner, der forklarer dette faktum:

1. Fordi varmt vand fordamper hurtigere, falder dets volumen. Og frysning af en mindre mængde vand ved samme temperatur sker hurtigere.
2. Fryseafdelingen i køleskabet har en snowliner. En beholder med varmt vand smelter sneen nedenunder. Dette forbedrer den termiske kontakt med fryseren.
3. Frysning af koldt vand begynder i modsætning til varmt vand øverst. Samtidig forværres konvektion og varmestråling og dermed varmetab.
4. Koldt vand indeholder krystallisationscentre - stoffer opløst i det. Hvis deres indhold i vand er lille, er ising vanskeligt, selvom det samtidig er muligt med superafkøling - når det ved minusgrader har en flydende tilstand.

Selvom vi retfærdigt kan sige, at denne effekt ikke altid observeres. Meget ofte fryser koldt vand hurtigere end varmt vand.

Ved hvilken temperatur fryser vand

Hvorfor fryser vand overhovedet? Det indeholder en vis mængde mineralske eller organiske partikler. Det kan for eksempel være meget små partikler af sand, støv eller ler. Når lufttemperaturen falder, er disse partikler centrene omkring hvilke iskrystaller dannes.

Rollen som krystallisationskerner kan også spilles af luftbobler og revner i beholderen, der indeholder vand. Hastigheden af ​​processen med at omdanne vand til is er i høj grad påvirket af antallet af sådanne centre - hvis der er mange af dem, fryser væsken hurtigere. Under normale forhold, med normalt atmosfærisk tryk, bliver vand til en fast tilstand fra væske ved en temperatur på 0 grader.

Essensen af ​​Mpemba-effekten

Mpemba-effekten er et paradoks, hvis essens er, at varmt vand under visse omstændigheder fryser hurtigere end koldt vand. Dette fænomen blev bemærket af Aristoteles og Descartes. Det var dog først i 1963, at den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba fastslog, at varm is tog længere tid at fryse. kort tid end koldt. Han gjorde denne konklusion, mens han afsluttede en madlavningsopgave.

Han måtte opløse sukker i kogt mælk og efter at have afkølet det, stillede det i køleskabet til frysning. Tilsyneladende var Mpemba ikke særlig flittig og begyndte sent at færdiggøre den første del af opgaven. Derfor ventede han ikke på, at mælken kølede af, og satte den i køleskabet varm. Han blev meget overrasket, da det frøs endnu hurtigere end hos hans klassekammerater, som udførte arbejdet i overensstemmelse med den givne teknologi.

Dette faktum interesserede den unge mand meget, og han begyndte at eksperimentere med almindeligt vand. I 1969 offentliggjorde tidsskriftet Physics Education resultaterne af forskning udført af Mpemba og professor Dennis Osborne fra University of Dar Es Salaam. Effekten de beskrev fik navnet Mpemba. Men selv i dag er der ingen klar forklaring på fænomenet. Alle videnskabsmænd er enige om, at hovedrollen i dette hører til forskellene i egenskaberne af afkølet og varmt vand, men hvad der præcist er ukendt.

Singapore version

Fysikere fra et af Singapore-universiteterne var også interesserede i spørgsmålet om, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt? Et team af forskere ledet af Xi Zhang forklarede dette paradoks netop ved vandets egenskaber. Alle kender sammensætningen af ​​vand fra skolen – et iltatom og to brintatomer. Ilt trækker til en vis grad elektroner væk fra brint, så molekylet er en bestemt slags "magnet".

Som et resultat bliver visse molekyler i vand lidt tiltrukket af hinanden og forenes af en brintbinding. Dens styrke er mange gange lavere end en kovalent binding. Singaporeanske forskere mener, at forklaringen på Mpembas paradoks netop ligger i brintbindinger. Hvis vandmolekyler er placeret meget tæt sammen, så kan et så stærkt samspil mellem molekylerne deformere den kovalente binding i midten af ​​selve molekylet.

Men når vand opvarmes, bevæger de bundne molekyler sig lidt væk fra hinanden. Som et resultat sker afslapning af kovalente bindinger i midten af ​​molekylerne med frigivelse af overskydende energi og en overgang til en lavere energiniveau. Dette fører til, at varmt vand begynder at afkøle hurtigt. Ved i det mindste, dette viser teoretiske beregninger udført af singaporeanske videnskabsmænd.

Øjeblikkeligt frysende vand - 5 utrolige tricks: Video

Vand er en af ​​de mest fantastiske væsker i verden, som har usædvanlige egenskaber. For eksempel er is en fast tilstand af væske, har specifik vægtfylde lavere end selve vandet, hvilket gjorde fremkomsten og udviklingen af ​​liv på Jorden stort set mulig. Derudover er der i den pseudo-videnskabelige og videnskabelige verden diskussioner om, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt. Enhver, der kan bevise, at varm væske fryser hurtigere under visse forhold og videnskabeligt underbygger deres løsning, vil modtage en belønning på £1.000 fra British Royal Society of Chemists.

Baggrund

Det faktum, at varmt vand under en række forhold fryser hurtigere end koldt vand, blev bemærket tilbage i middelalderen. Francis Bacon og René Descartes brugte mange kræfter på at forklare dette fænomen. Men fra klassisk varmetekniks synspunkt kan dette paradoks ikke forklares, og de forsøgte at tie stille over det. Drivkraften til fortsættelsen af ​​debatten var en noget besynderlig historie, der skete for den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba i 1963. En dag, under en lektion om at lave desserter på en kokkeskole, havde drengen, distraheret af andre ting, ikke tid til at afkøle isblandingen i tide og lægge en varm opløsning af sukker i mælk i fryseren. Til hans overraskelse afkølede produktet noget hurtigere end hos hans medpraktiserende læger, der observerede temperatur regime lave is.

I et forsøg på at forstå essensen af ​​fænomenet henvendte drengen sig til en fysiklærer, som uden at gå i detaljer latterliggjorde sine kulinariske eksperimenter. Erasto var imidlertid kendetegnet ved misundelsesværdig vedholdenhed og fortsatte sine eksperimenter ikke på mælk, men på vand. Han blev overbevist om, at varmt vand i nogle tilfælde fryser hurtigere end koldt vand.

Efter at have gået ind på universitetet i Dar es Salaam deltog Erasto Mpembe i en forelæsning af professor Dennis G. Osborne. Efter afslutningen forundrede eleven videnskabsmanden med et problem om hastigheden af ​​frysning af vand afhængigt af dets temperatur. D.G. Osborne latterliggjorde selve formuleringen af ​​spørgsmålet, og erklærede med bevidsthed, at enhver fattig studerende ved, at koldt vand fryser hurtigere. Den unge mands naturlige ihærdighed gjorde sig dog gældende. Han lavede et væddemål med professoren og foreslog at udføre en eksperimentel test lige her i laboratoriet. Erasto anbragte to beholdere med vand i fryseren, en ved 95°F (35°C) og den anden ved 212°F (100°C). Forestil dig professorens og de omkringliggende "fans" overraskelse, da vandet i den anden beholder frøs hurtigere. Siden da er dette fænomen blevet kaldt "Mpemba-paradokset".

Men til dato er der ingen sammenhængende teoretisk hypotese, der forklarer "Mpemba-paradokset". Det er ikke klart hvilken eksterne faktorer, kemisk sammensætning vand, tilstedeværelsen af ​​opløste gasser og mineraler i det påvirker hastigheden af ​​frysning af væsker ved forskellige temperaturer. Paradokset ved "Mpemba-effekten" er, at den er i modstrid med en af ​​lovene opdaget af I. Newton, som siger, at afkølingstiden for vand er direkte proportional med temperaturforskellen mellem væsken og miljø. Og hvis alle andre væsker fuldstændig overholder denne lov, så er vand i nogle tilfælde en undtagelse.

Hvorfor fryser varmt vand hurtigere?T

Der er flere versioner af, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand. De vigtigste er:

• varmt vand fordamper hurtigere, mens dets volumen falder, og et mindre volumen væske afkøles hurtigere - ved afkøling af vand fra + 100 °C til 0 °C, volumetriske tab atmosfærisk tryk nå 15%;
• Jo større temperaturforskellen er, jo højere intensiteten af ​​varmeudvekslingen mellem væsken og miljøet er derfor varmetab kogende vand passerer hurtigere;
• når varmt vand afkøles, dannes en isskorpe på overfladen, hvilket forhindrer væsken i at fryse og fordampe fuldstændigt;
• ved høje vandtemperaturer forekommer konvektionsblanding, hvilket reducerer frysetiden;
• Gasser opløst i vand sænker frysepunktet og fjerner energi til krystaldannelse - der er ingen opløste gasser i varmt vand.

Alle disse forhold er gentagne gange blevet testet eksperimentelt. Især den tyske videnskabsmand David Auerbach opdagede, at varmt vands krystallisationstemperatur er lidt højere end koldt vand, hvilket gør det muligt for førstnævnte at fryse hurtigere. Men senere blev hans eksperimenter kritiseret, og mange videnskabsmænd er overbevist om, at "Mpemba-effekten", som bestemmer, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt, kun kan reproduceres under visse forhold, som ingen har søgt efter og specificeret indtil nu.

I denne artikel vil vi se på spørgsmålet om, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand.

Opvarmet vand fryser meget hurtigere end koldt vand! Det her fantastisk ejendom vand, en nøjagtig forklaring, som forskerne stadig ikke kan finde, har været kendt siden oldtiden. For eksempel, selv i Aristoteles er der en beskrivelse af vinterfiskeri: fiskere stak fiskestænger ind i huller i isen, og for at de skulle fryse hurtigere, vandede de isen varmt vand. Dette fænomen blev opkaldt efter Erasto Mpemba i 60'erne af det 20. århundrede. Mnemba bemærkede en mærkelig effekt, mens han lavede is og henvendte sig til sin fysiklærer, Dr. Denis Osborne, for at få en forklaring. Mpemba og Dr. Osborne eksperimenterede med vand forskellige temperaturer og konkluderede: næsten kogende vand begynder at fryse meget hurtigere end vand ved stuetemperatur. Andre forskere udførte deres egne eksperimenter og opnåede hver gang lignende resultater.

Forklaring af et fysisk fænomen

Der er ingen almindeligt accepteret forklaring på, hvorfor dette sker. Mange forskere antyder, at hele pointen ligger i underafkølingen af ​​væsken, som opstår, når dens temperatur falder til under frysepunktet. Med andre ord, hvis vand fryser ved en temperatur under 0°C, så kan superafkølet vand have en temperatur på for eksempel -2°C og stadig forblive flydende uden at blive til is. Når vi forsøger at fryse koldt vand, er der en chance for, at det først bliver superafkølet og først hærder efter noget tid. Andre processer foregår i opvarmet vand. Dens hurtigere forvandling til is er forbundet med konvektion.

Konvektion- Det her fysiske fænomen, hvor de varme nederste lag af væske stiger, og de øverste, afkølede, falder.

Mpemba effekt(Mpembas paradoks) - et paradoks, der siger, at varmt vand under nogle forhold fryser hurtigere end koldt vand, selvom det skal passere koldt vands temperatur i fryseprocessen. Dette paradoks er et eksperimentelt faktum, der modsiger de sædvanlige ideer, ifølge hvilke et mere opvarmet legeme under de samme betingelser tager længere tid at afkøle til en bestemt temperatur end et mindre opvarmet legeme at afkøle til samme temperatur.

Dette fænomen blev bemærket på et tidspunkt af Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963, at den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba opdagede, at en varm isblanding fryser hurtigere end en kold.

At være studerende på Magambinskaya Gymnasium i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk arbejde i madlavning. Han skulle lave hjemmelavet is - kog mælk, opløs sukker i det, afkøl det til stuetemperatur og sæt det derefter i køleskabet for at fryse. Tilsyneladende var Mpemba ikke en særlig flittig elev og forsinkede med at gennemføre den første del af opgaven. Da han frygtede, at han ikke ville nå det ved slutningen af ​​lektionen, satte han stadig varm mælk i køleskabet. Til hans overraskelse frøs det endnu tidligere end hans kammeraters mælk, tilberedt i henhold til den givne teknologi.

Herefter eksperimenterede Mpemba ikke kun med mælk, men også med almindeligt vand. I hvert fald spurgte han allerede som elev på Mkwava Secondary School professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (inviteret af skoledirektøren til at holde et foredrag om fysik for eleverne) specifikt om vand: ”Hvis du tager to identiske beholdere med lige store mængder vand, så vandet i den ene har en temperatur på 35°C, og i den anden - 100°C, og sæt dem i fryseren, så fryser vandet hurtigere i den anden. Hvorfor? Osborne blev interesseret i dette nummer, og snart, i 1969, offentliggjorde han og Mpemba resultaterne af deres eksperimenter i tidsskriftet Physics Education. Siden da er den effekt, de opdagede, blevet kaldt Mpemba effekt.

Indtil nu er der ingen, der ved præcis, hvordan man forklarer denne mærkelige effekt. Forskere har ikke en enkelt version, selvom der er mange. Det hele handler om forskellen i egenskaberne for varmt og koldt vand, men det er endnu ikke klart, hvilke egenskaber der spiller en rolle i dette tilfælde: forskellen på underafkøling, fordampning, isdannelse, konvektion eller virkningen af ​​flydende gasser på vand kl. forskellige temperaturer.

Paradokset ved Mpemba-effekten er, at den tid, hvor en krop afkøles til den omgivende temperatur, skal være proportional med temperaturforskellen mellem denne krop og omgivelserne. Denne lov blev etableret af Newton og er siden blevet bekræftet mange gange i praksis. I denne effekt afkøles vand med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C hurtigere end den samme mængde vand med en temperatur på 35°C.

Dette indebærer dog endnu ikke et paradoks, da Mpemba-effekten også kan forklares inden for rammerne kendt fysiker. Her er nogle forklaringer på Mpemba-effekten:

Fordampning

Varmt vand fordamper hurtigere fra beholderen, hvorved dets volumen reduceres, og en mindre mængde vand ved samme temperatur fryser hurtigere. Vand opvarmet til 100 C mister 16 % af sin masse, når det afkøles til 0 C.

Fordampningseffekten er en dobbelt effekt. For det første falder mængden af ​​vand, der kræves til afkøling. Og for det andet falder temperaturen på grund af det faktum, at fordampningsvarmen ved overgangen fra vandfasen til dampfasen falder.

Temperaturforskel

På grund af temperaturforskellen mellem varmt vand og der er mere kold luft - derfor er varmevekslingen i dette tilfælde mere intens, og det varme vand afkøles hurtigere.

Hypotermi

Når vandet afkøles til under 0 C, fryser det ikke altid. Under nogle forhold kan det undergå superafkøling og fortsætte med at forblive flydende ved temperaturer under frysepunktet. I nogle tilfælde kan vand forblive flydende selv ved en temperatur på –20 C.

Årsagen til denne effekt er, at for at de første iskrystaller kan begynde at dannes, er der brug for krystaldannelsescentre. Hvis de ikke er til stede i flydende vand, vil superafkølingen fortsætte, indtil temperaturen falder nok til, at krystaller kan dannes spontant. Når de begynder at dannes i den superafkølede væske, vil de begynde at vokse hurtigere og danne slush ice, som vil fryse til is.

Varmt vand er mest modtageligt for hypotermi, fordi opvarmning af det fjerner opløste gasser og bobler, som igen kan tjene som centre for dannelsen af ​​iskrystaller.

Hvorfor får hypotermi varmt vand til at fryse hurtigere? Ved koldt vand, der ikke er superafkølet, sker følgende. I dette tilfælde tyndt lag der dannes is på overfladen af ​​fartøjet. Dette islag vil fungere som en isolator mellem vandet og den kolde luft og vil forhindre yderligere fordampning. Hastigheden for dannelse af iskrystaller vil i dette tilfælde være lavere. I tilfælde af varmt vand, der udsættes for underafkøling, har det underafkølede vand ikke et beskyttende overfladelag af is. Derfor taber den meget hurtigere varme gennem den åbne top.

Når superafkølingsprocessen slutter, og vandet fryser, går meget mere varme tabt, og der dannes derfor mere is.

Mange forskere af denne effekt anser hypotermi for at være hovedfaktoren i tilfælde af Mpemba-effekten.

Konvektion

Koldt vand begynder at fryse oppefra og forværrer derved processerne med varmestråling og konvektion og dermed varmetab, mens varmt vand begynder at fryse nedefra.

Denne effekt forklares af en anomali i vandtætheden. Vand har en maksimal massefylde ved 4 C. Hvis du afkøler vand til 4 C og sætter det ved en lavere temperatur, fryser overfladelaget af vand hurtigere. Fordi dette vand er mindre tæt end vand ved en temperatur på 4 C, vil det forblive på overfladen og danne et tyndt koldt lag. Under disse forhold vil der inden for kort tid dannes et tyndt lag is på vandoverfladen, men dette islag vil tjene som en isolator, der beskytter de nederste lag af vand, som forbliver ved en temperatur på 4 C. Derfor videre proces afkøling vil ske langsommere.

Ved varmt vand er situationen en helt anden. Overfladelag vand afkøles hurtigere på grund af fordampning og en større temperaturforskel. Desuden er koldtvandslag tættere end varmtvandslag, så det koldevandslag vil synke ned og hæve det varmevandslag til overfladen. Denne cirkulation af vand sikrer et hurtigt fald i temperaturen.

Men hvorfor når denne proces ikke et ligevægtspunkt? For at forklare Mpemba-effekten fra dette konvektionssynspunkt ville det være nødvendigt at antage, at de kolde og varme lag af vand adskilles, og selve konvektionsprocessen fortsætter, efter at den gennemsnitlige vandtemperatur falder til under 4 C.

Der er dog ingen eksperimentelle beviser, der understøtter denne hypotese om, at kolde og varme lag af vand adskilles ved konvektionsprocessen.

Gasser opløst i vand

Vand indeholder altid gasser opløst i det - ilt og carbondioxid. Disse gasser har evnen til at reducere vandets frysepunkt. Når vand opvarmes, frigives disse gasser fra vandet, fordi deres opløselighed i vand er lavere ved høje temperaturer. Når varmt vand afkøles, indeholder det derfor altid færre opløste gasser end i uopvarmet koldt vand. Derfor er frysepunktet for opvarmet vand højere, og det fryser hurtigere. Denne faktor betragtes nogle gange som den vigtigste til at forklare Mpemba-effekten, selvom der ikke er nogen eksperimentelle data, der bekræfter dette faktum.

Varmeledningsevne

Denne mekanisme kan spille en væsentlig rolle, når vandet placeres i køleafdelingens fryser i små beholdere. Under disse forhold blev det bemærket, at en beholder med varmt vand smelter is under den fryser, hvorved den termiske kontakt med fryserens væg og den termiske ledningsevne forbedres. Som følge heraf fjernes varme fra en varmtvandsbeholder hurtigere end fra en kold. Til gengæld smelter en beholder med koldt vand ikke sneen nedenunder.

Alle disse (såvel som andre) forhold blev undersøgt i mange eksperimenter, men et klart svar på spørgsmålet - hvilken af ​​dem giver hundrede procent reproduktion af Mpemba-effekten - blev aldrig opnået.

For eksempel undersøgte den tyske fysiker David Auerbach i 1995 effekten af ​​superkølende vand på denne effekt. Han opdagede, at varmt vand, der når en underafkølet tilstand, fryser ved en højere temperatur end koldt vand og derfor hurtigere end sidstnævnte. Men koldt vand når en superafkølet tilstand hurtigere end varmt vand, og kompenserer derved for den tidligere forsinkelse.

Derudover modsagde Auerbachs resultater tidligere data om, at varmt vand var i stand til at opnå større underkøling på grund af færre krystallisationscentre. Når vand opvarmes, fjernes gasser, der er opløst i det, og når det koges, udfældes nogle salte, der er opløst i det.

Indtil videre kan kun én ting siges - gengivelsen af ​​denne effekt afhænger væsentligt af de betingelser, som eksperimentet udføres under. Netop fordi det ikke altid gengives.

O.V. Mosin

Litterærekilder:

"Varmt vand fryser hurtigere end koldt vand. Hvorfor gør det det?", Jearl Walker i The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, s. 246-257; september, 1977.

"Frysningen af ​​varmt og koldt vand", G.S. Kell i American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, s. 564-565; maj, 1969.

"Superkøling og Mpemba-effekt", David Auerbach, i American Journal of Physics, bind 63, nr. 10, side 882-885; okt, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, i American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, s. 524; maj, 1996.

Fænomenet med at varmt vand fryser hurtigere end koldt vand er kendt i videnskaben som Mpemba-effekten. Store hjerner som Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes overvejede dette paradoksale fænomen, men i tusinder af år har ingen endnu været i stand til at give en fornuftig forklaring på dette fænomen.

Først i 1963 bemærkede en skoledreng fra Republikken Tanganyika, Erasto Mpemba, denne effekt ved at bruge eksemplet med is, men ingen voksen gav ham en forklaring. Ikke desto mindre har fysikere og kemikere seriøst tænkt over et så simpelt, men så uforståeligt fænomen.

Siden har de udtalt sig forskellige versioner, hvoraf den ene lød som følger: en del af det varme vand fordamper først simpelthen, og så, når der er mindre tilbage, fryser vandet hurtigere. Denne version blev på grund af sin enkelhed den mest populære, men tilfredsstillede ikke helt videnskabsmænd.

Nu siger et team af forskere fra Nanyang Technological University i Singapore, ledet af kemiker Xi Zhang, at de har løst det ældgamle mysterium om hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt. Som kinesiske eksperter har fundet ud af, ligger hemmeligheden i mængden af ​​energi, der er lagret i brintbindinger mellem vandmolekyler.

Vandmolekyler består som bekendt af et oxygenatom og to brintatomer, der holdes sammen af ​​kovalente bindinger, som på partikelniveau ligner en udveksling af elektroner. En anden kendt faktum ligger i, at brintatomer tiltrækkes af oxygenatomer fra nabomolekyler - og der dannes brintbindinger.

Samtidig frastøder vandmolekyler generelt hinanden. Forskere fra Singapore bemærkede: Jo varmere vandet er, jo større er afstanden mellem væskens molekyler på grund af en stigning i frastødende kræfter. Som et resultat strækkes brintbindinger og lagrer derfor mere energi. Denne energi frigives, når vandet afkøles – molekylerne bevæger sig tættere på hinanden. Og frigivelse af energi betyder som bekendt afkøling.

Som kemikere skriver i deres artikel, som kan findes på preprint-hjemmesiden arXiv.org, er hydrogenbindinger i varmt vand stærkere end i koldt vand. Det viser sig således, at der lagres mere energi i varmt vands brintbindinger, hvilket betyder, at der frigives mere af det, når det afkøles til minusgrader. Af denne grund sker hærdning hurtigere.

Til dato har videnskabsmænd kun løst dette mysterium teoretisk. Når de fremlægger overbevisende beviser for deres version, kan spørgsmålet om, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand, betragtes som lukket.