Vand fryser øjeblikkeligt. Hvorfor fryser varmt vand hurtigere end koldt vand?

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

Opvarmet vand fryser meget hurtigere end koldt vand! Denne fantastiske egenskab ved vand, den nøjagtige forklaring, som forskerne stadig ikke kan finde, har været kendt siden oldtiden. For eksempel er der selv i Aristoteles en beskrivelse af vinterfiskeri: Fiskerne stak fiskestænger ind i huller i isen, og for at de hurtigere skulle fryse, hældte de varmt vand på isen. Navnet på dette fænomen blev opkaldt efter Erasto Mpemba i 60'erne af det XX århundrede. Mnemba bemærkede den mærkelige effekt, mens han lavede is og henvendte sig til sin fysiklærer, Dr. Denis Osborn, for at få en forklaring. Mpemba og Dr. Osborne eksperimenterede med vand ved forskellige temperaturer og konkluderede, at næsten kogende vand begynder at fryse meget hurtigere end vand ved stuetemperatur. Andre forskere har udført deres egne eksperimenter, og hver gang har de opnået lignende resultater.

Forklaring af et fysisk fænomen

Der er ingen almindeligt accepteret forklaring på, hvorfor dette sker. Mange forskere antyder, at det hele handler om underafkøling af en væske, 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 nogen tid. I opvarmet vand finder andre processer sted. Dens hurtigere forvandling til is er forbundet med konvektion.

Konvektion- Det er et fysisk fænomen, hvor de varme nederste lag af væsken stiger, og de øverste, afkølede, falder.

Det synes klart, at koldt vand fryser hurtigere end varmt vand, da varmt vand under lige forhold tager længere tid om at afkøle og efterfølgende fryse. Men tusinder af års observationer, såvel som moderne eksperimenter, har vist, at det modsatte også er tilfældet: Under visse forhold fryser varmt vand hurtigere end koldt vand. Videnskabskanalen Sciencium forklarer dette fænomen:

Som forklaret i videoen ovenfor er fænomenet, hvor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand, kendt som Mpemba-effekten, opkaldt efter Erasto Mpemba, en elev fra Tanzania, der lavede is som en del af et skoleprojekt i 1963. Eleverne skulle bringe blandingen af ​​fløde og sukker i kog, lade den køle af og så lægge den i fryseren.

I stedet stillede Erasto sin blanding på én gang, varm, uden at vente på, at den var afkølet. Som et resultat, efter 1,5 time, var hans blanding allerede frosset, men blandingerne af andre elever var ikke. Optaget af fænomenet begyndte Mpemba at studere spørgsmålet med fysikprofessor Denis Osborn, og i 1969 udgav de et papir, der sagde, at varmt vand fryser hurtigere end koldt vand. Dette var den første peer-reviewede undersøgelse af denne art, men selve fænomenet er nævnt i Aristoteles' artikler, der dateres tilbage til det 4. århundrede f.Kr. e. Francis Bacon og Descartes bemærkede også dette fænomen i deres undersøgelser.

Videoen viser flere muligheder for at forklare, hvad der sker:

1. Frost er et dielektrikum, og derfor lagrer frostklart vand bedre varme end et varmt glas, der smelter is i kontakt med det.
2. Koldt vand har flere opløste gasser end varmt vand, og forskerne spekulerer i, at det kan spille en rolle for afkølingshastigheden, selvom det endnu ikke er klart hvordan.
3. Varmt vand mister flere vandmolekyler gennem fordampning, hvilket efterlader færre til at fryse
4. Varmt vand kan køle hurtigere på grund af øgede konvektive strømme. Disse strømme opstår, fordi vandet i glasset først afkøles på overfladen og siderne, hvilket får det kolde vand til at synke og det varme vand til at stige. I et varmt glas er konvektive strømme mere aktive, hvilket kan påvirke afkølingshastigheden.

Men i 2016 blev der gennemført en nøje kontrolleret undersøgelse, som viste det modsatte: varmt vand frøs meget langsommere end koldt vand. Samtidig bemærkede forskerne, at en ændring i placeringen af ​​et termoelement - en enhed, der bestemmer temperaturforskelle - med kun en centimeter fører til udseendet af Mpemba-effekten. En undersøgelse af andet lignende arbejde viste, at i alle tilfælde, hvor denne effekt blev observeret, var der en forskydning af termoelementet inden for en centimeter.

British Royal Society of Chemistry tilbyder en belønning på £1.000 til enhver, der videnskabeligt kan forklare, hvorfor varmt vand i nogle tilfælde fryser hurtigere end koldt vand.

"Moderne videnskab kan stadig ikke besvare dette tilsyneladende simple spørgsmål. Ismagere og bartendere bruger denne effekt i deres daglige arbejde, men ingen ved rigtig, hvorfor det virker. Dette problem har været kendt i årtusinder, og filosoffer som Aristoteles og Descartes har tænkt over det,” siger professor David Philips, præsident for British Royal Society of Chemistry, citeret i selskabets pressemeddelelse.

Hvordan en afrikansk kok slog en britisk fysikprofessor

Dette er ikke en aprilsnar, men en barsk fysisk virkelighed. Nutidens videnskab, som let opererer på galakser og sorte huller, og bygger gigantiske acceleratorer til at søge efter kvarker og bosoner, kan ikke forklare, hvordan elementært vand "virker". Skolebogen siger utvetydigt, at det tager længere tid at afkøle en varm krop end at afkøle en kold krop. Men for vand overholdes denne lov ikke altid. Aristoteles gjorde opmærksom på dette paradoks i det 4. århundrede f.Kr. e. Her er, hvad den gamle græker skrev i bogen "Meteorologica I": "Det faktum, at vandet er forvarmet, bidrager til, at det fryser. Derfor sætter mange mennesker, når de hurtigt vil afkøle varmt vand, først det i solen ... "I middelalderen forsøgte Francis Bacon og Rene Descartes at forklare dette fænomen. Ak, hverken de store filosoffer eller de talrige videnskabsmænd, der udviklede klassisk termisk fysik, lykkedes med dette, og derfor blev sådan en ubelejlig kendsgerning "glemt" i lang tid.

Og først i 1968 "huskede" de takket være skoledrengen Erasto Mpemba fra Tanzania, langt fra nogen videnskab. Mens han studerede på en kokkeskole, i 1963, fik 13-årige Mpembe til opgave at lave is. Ifølge teknologien var det nødvendigt at koge mælk, opløse sukker i det, afkøle det til stuetemperatur og derefter sætte det i køleskabet for at fryse. Tilsyneladende var Mpemba ikke en flittig studerende og tøvede. I frygt for, at han ikke ville være i tide ved slutningen af ​​lektionen, satte han den stadig varme mælk i køleskabet. Til hans overraskelse frøs det endnu tidligere end hans kammeraters mælk, tilberedt efter alle reglerne.

Da Mpemba delte sin opdagelse med en fysiklærer, gjorde han grin med ham foran hele klassen. Mpemba huskede fornærmelsen. Fem år senere, som allerede var studerende ved universitetet i Dar es Salaam, var han til en forelæsning af den berømte fysiker Denis G. Osborn. Efter foredraget stillede han videnskabsmanden et spørgsmål: "Hvis du tager to identiske beholdere med samme mængde vand, den ene ved 35 °C (95 °F) og den anden ved 100 °C (212 °F), og sætter dem i fryseren, så fryser vand i en varm beholder hurtigere. Hvorfor?" Du kan forestille dig en britisk professors reaktion på et spørgsmål fra en ung mand fra gudsforladte Tanzania. Han gjorde grin med eleven. Men Mpemba var klar til et sådant svar og udfordrede videnskabsmanden til et væddemål. Deres argument kulminerede i en eksperimentel test, der viste, at Mpemba havde ret og Osborne besejret. Så elevkogeren indskrev sit navn i videnskabshistorien, og herefter kaldes dette fænomen "Mpemba-effekten". At kassere det, at erklære det som om "ikke-eksisterende" ikke virker. Fænomenet eksisterer, og, som digteren skrev, "ikke i tanden med en fod."

Er støvpartikler og opløste stoffer skylden?

I årenes løb har mange forsøgt at opklare mysteriet med iskaldt vand. En hel bunke af forklaringer på dette fænomen er blevet foreslået: fordampning, konvektion, påvirkningen af ​​opløste stoffer - men ingen af ​​disse faktorer kan betragtes som definitive. En række videnskabsmænd viede hele deres liv til Mpemba-effekten. James Brownridge, medlem af afdelingen for strålingssikkerhed ved State University of New York, har studeret paradokset i sin fritid i over et årti. Efter at have udført hundredvis af eksperimenter hævder videnskabsmanden, at han har beviser for hypotermiens "skyld". Brownridge forklarer, at vandet ved 0°C kun superafkøles og begynder at fryse, når temperaturen falder til under. Frysepunktet reguleres af urenheder i vandet - de ændrer hastigheden af ​​dannelsen af ​​iskrystaller. Urenheder, og det er støvpartikler, bakterier og opløste salte, har deres karakteristiske kernedannelsestemperatur, når der dannes iskrystaller omkring krystallisationscentrene. Når flere grundstoffer er til stede i vand på én gang, bestemmes frysepunktet af det med den højeste nukleationstemperatur.

Til eksperimentet tog Brownridge to prøver af vand ved samme temperatur og placerede dem i en fryser. Han fandt ud af, at det ene eksemplar altid fryser før det andet - formentlig på grund af en anden kombination af urenheder.

Brownridge hævder, at varmt vand afkøles hurtigere på grund af den større temperaturforskel mellem vandet og fryseren – det hjælper det med at nå sit frysepunkt, før koldt vand når sit naturlige frysepunkt, som er mindst 5°C lavere.

Brownridges begrundelse rejser dog mange spørgsmål. Derfor har de, der kan forklare Mpemba-effekten på deres egen måde, en chance for at konkurrere om tusind pund sterling fra British Royal Society of Chemistry.

Vand er en af ​​de mest fantastiske væsker i verden, som har usædvanlige egenskaber. For eksempel har is - en fast tilstand af væske, en vægtfylde, der er lavere end vandet selv, hvilket på mange måder muliggjorde fremkomsten og udviklingen af ​​liv på Jorden. Derudover er der i den nærmest videnskabelige, og faktisk den videnskabelige verden, diskussioner om, hvilket vand der fryser hurtigere – varmt eller koldt. Den, der beviser hurtigere frysning af en varm væske under visse betingelser og videnskabeligt underbygger sin beslutning, vil modtage en pris på £1.000 fra British Royal Society of Chemists.

Baggrund

Det faktum, at varmt vand under en række forhold er forud for koldt vand med hensyn til frysehastighed, blev bemærket tilbage i middelalderen. Francis Bacon og René Descartes har lagt mange kræfter i at forklare dette fænomen. Men fra et synspunkt om klassisk varmeteknik kan dette paradoks ikke forklares, og de forsøgte at blunde tysslen op. Drivkraften til stridens fortsættelse var en noget besynderlig historie, der skete med den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) i 1963. Engang, under en dessertlavningslektion på en kogeskole, havde en dreng, distraheret af andre ting, ikke tid til at afkøle isblandingen i tide og lægge en opløsning af sukker i varm mælk i fryseren. Til hans overraskelse afkølede produktet noget hurtigere end hans medpraktiserende læger, der observerede temperaturregimet for fremstilling af 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 udholdenhed og fortsatte sine eksperimenter ikke længere på mælk, men på vand. Han sørgede for, at varmt vand i nogle tilfælde fryser hurtigere end koldt vand.

Erasto Mpembe kom ind på universitetet i Dar es Salaam og deltog i en forelæsning af professor Dennis G. Osborne. Efter eksamen forvirrede den studerende videnskabsmanden med problemet med hastigheden af ​​frysning af vand afhængigt af dets temperatur. D.G. Osborne latterliggjorde selve spørgsmålet og udtalte med aplomb, at enhver taber ved, at koldt vand vil fryse hurtigere. Den unge mands naturlige ihærdighed gjorde sig dog gældende. Han lavede et væddemål med professoren og tilbød at udføre en eksperimentel test 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). Hvad var 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, hvilke eksterne faktorer, den kemiske sammensætning af vand, tilstedeværelsen af ​​opløste gasser og mineraler i det, der 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 miljøet. Og hvis alle andre væsker er fuldstændig underlagt 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 - når vandet afkøles fra + 100 ° C til 0 ° C, når volumentab ved atmosfærisk tryk 15%;
• intensiteten af ​​varmeudveksling mellem væsken og miljøet er jo højere, jo større er temperaturforskellen, så varmetabet af kogende vand passerer hurtigere;
• når varmt vand afkøles, dannes en isskorpe på dens overflade, som forhindrer væsken i at fryse og fordampe fuldstændigt;
• ved en høj temperatur af vand forekommer dets konvektionsblanding, hvilket reducerer frysetiden;
• gasser opløst i vand sænker frysepunktet og tager energi til krystaldannelse - der er ingen opløste gasser i varmt vand.

Alle disse betingelser er blevet udsat for gentagen eksperimentel verifikation. Især den tyske videnskabsmand David Auerbach opdagede, at krystallisationstemperaturen for varmt vand er lidt højere end for koldt vand, hvilket gør det muligt at fryse førstnævnte hurtigere. Men senere blev hans eksperimenter kritiseret, og mange forskere er overbevist om, at "Mpemba-effekten", som vand fryser hurtigere - varmt eller koldt, kun kan reproduceres under visse forhold, som ingen har ledt efter og konkretiseret hidtil.

Hvilket vand der fryser hurtigere, varmt eller koldt, er påvirket af mange faktorer, men selve spørgsmålet virker lidt mærkeligt. Det er underforstået, og det er kendt fra fysikken, at varmt vand stadig skal have tid til at køle ned til temperaturen af ​​sammenligneligt koldt vand for at blive til is. Koldt vand kan springe denne fase over, og følgelig vinder det med tiden.

Men svaret på spørgsmålet om, hvilket vand fryser hurtigere - koldt eller varmt - på gaden i frost, ved enhver indbygger på de nordlige breddegrader. Rent videnskabeligt viser det sig, at koldt vand under alle omstændigheder simpelthen skal fryse hurtigere.

Det samme gjorde læreren i fysik, som blev kontaktet af skoledrengen Erasto Mpemba i 1963 med en anmodning om at forklare, hvorfor den kolde blanding af fremtidens is fryser længere end en tilsvarende, men varm.

"Dette er ikke verdensfysik, men en slags Mpemba-fysik"

På det tidspunkt lo læreren kun af dette, men Deniss Osborne, en professor i fysik, som på et tidspunkt gik på den samme skole, hvor Erasto studerede, bekræftede eksperimentelt eksistensen af ​​en sådan effekt, selvom der ikke var nogen forklaring på dette dengang . I 1969 offentliggjorde et populærvidenskabeligt tidsskrift en fælles artikel af de to mænd, der beskrev denne ejendommelige effekt.

Siden da har spørgsmålet om, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt, i øvrigt sit eget navn - effekten eller paradokset Mpemba.

Spørgsmålet har eksisteret i lang tid

Naturligvis har et sådant fænomen fundet sted før, og det blev nævnt i andre videnskabsmænds værker. Ikke kun skoleeleven var interesseret i dette spørgsmål, men Rene Descartes og endda Aristoteles tænkte på det på et tidspunkt.

Her er blot tilgange til at løse dette paradoks begyndte at se først i slutningen af ​​det tyvende århundrede.

Betingelser for at et paradoks kan opstå

Som med is, er det ikke kun almindeligt vand, der fryser under forsøget. Visse forhold skal være til stede for at begynde at skændes, hvilket vand der fryser hurtigere - koldt eller varmt. Hvad påvirker denne proces?

Nu, i det 21. århundrede, er der fremsat flere muligheder, der kan forklare dette paradoks. Hvilket vand der fryser hurtigere, varmt eller koldt, kan afhænge af, at det har en højere fordampningshastighed end koldt vand. Således falder dens volumen, og med et fald i volumen bliver frysetiden kortere, end hvis vi tager en tilsvarende begyndelsesvolumen koldt vand.

Fryseren har længe været optøet

Hvilket vand der fryser hurtigere, og hvorfor det gør det, kan være påvirket af snebeklædningen, der kan være til stede i fryseren i det køleskab, der blev brugt til forsøget. Hvis du tager to beholdere, der er identiske i volumen, men en af ​​dem vil have varmt vand og den anden koldt vand, vil beholderen med varmt vand smelte sneen nedenunder, og derved forbedre kontakten mellem det termiske niveau og køleskabets væg. Det kan en koldtvandsbeholder ikke. Hvis der ikke er en sådan foring med sne i køleskabet, skal koldt vand fryse hurtigere.

Top bund

Også det fænomen, hvor vand fryser hurtigere - varmt eller koldt, forklares som følger. Efter visse love begynder koldt vand at fryse fra de øverste lag, når varmt vand gør det omvendt - det begynder at fryse nedefra. Det viser sig, at koldt vand, der har et koldt lag på toppen med is, der allerede er dannet nogle steder, således forværrer processerne med konvektion og termisk stråling og forklarer derved, hvilket vand der fryser hurtigere - koldt eller varmt. Et foto fra amatøreksperimenter er vedhæftet, og her er det tydeligt synligt.

Varmen går ud, tenderer opad, og der møder den et meget køligt lag. Der er ingen fri vej for varmestråling, så afkølingsprocessen bliver vanskelig. Varmt vand har absolut ingen sådanne barrierer på sin vej. Som fryser hurtigere - koldt eller varmt, som det sandsynlige udfald afhænger af, kan du udvide svaret ved at sige, at ethvert vand har visse stoffer opløst i sig.

Urenheder i vandets sammensætning som en faktor, der påvirker resultatet

Hvis du ikke snyder og bruger vand med samme sammensætning, hvor koncentrationerne af visse stoffer er identiske, så burde koldt vand fryse hurtigere. Men hvis der opstår en situation, når opløste kemiske elementer kun er til stede i varmt vand, mens koldt vand ikke besidder dem, så har varmt vand mulighed for at fryse tidligere. Dette forklares ved, at de opløste stoffer i vand skaber krystallisationscentre, og med et lille antal af disse centre er omdannelsen af ​​vand til en fast tilstand vanskelig. Selv underafkøling af vand er mulig i den forstand, at det ved minusgrader vil være i flydende tilstand.

Men alle disse versioner passede tilsyneladende ikke forskerne til det sidste, og de fortsatte med at arbejde med dette spørgsmål. I 2013 sagde et team af forskere i Singapore, at de havde løst det ældgamle mysterium.

En gruppe kinesiske videnskabsmænd hævder, at hemmeligheden bag denne effekt ligger i mængden af ​​energi, der er lagret mellem vandmolekyler i dets bindinger, kaldet brintbindinger.

Svaret fra kinesiske videnskabsmænd

Yderligere information vil følge, for forståelsen af ​​hvilken det er nødvendigt at have en vis viden i kemi for at finde ud af, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt. Som du ved, består det af to H (brint) atomer og et O (ilt) atom holdt sammen af ​​kovalente bindinger.

Men brintatomer af et molekyle tiltrækkes også af nabomolekyler, til deres iltkomponent. Disse bindinger kaldes hydrogenbindinger.

Samtidig er det værd at huske på, at samtidig virker vandmolekyler frastødende på hinanden. Forskere bemærkede, at når vand opvarmes, øges afstanden mellem dets molekyler, og dette lettes af frastødende kræfter. Det viser sig, at når man optager en afstand mellem molekyler i en kold tilstand, kan man sige, at de strækker sig, og de har en større energiforsyning. Det er denne energireserve, der frigives, når vandmolekyler begynder at nærme sig hinanden, det vil sige, at der sker afkøling. Det viser sig, at en større forsyning af energi i varmt vand, og dens større frigivelse, når den afkøles til minusgrader, sker hurtigere end i koldt vand, som har en mindre forsyning af sådan energi. Så hvilket vand fryser hurtigere - koldt eller varmt? På gaden og i laboratoriet skulle Mpemba-paradokset opstå, og varmt vand skulle hurtigere blive til is.

Men spørgsmålet er stadig åbent

Der er kun en teoretisk bekræftelse af dette spor - alt dette er skrevet i smukke formler og virker plausibelt. Men når de eksperimentelle data, hvilket vand fryser hurtigere - varmt eller koldt, vil blive sat i praktisk forstand, og deres resultater vil blive præsenteret, så vil det være muligt at betragte spørgsmålet om Mpemba-paradokset for lukket.