Varm eller kold fryser hurtigere. Hvorfor fryser varmt vand hurtigere end koldt vand?

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 vægt lavere end selve vandet, hvilket gjorde fremkomsten og udviklingen af ​​liv på Jorden stort set mulig. Derudover i pseudo-videnskabelige, og videnskabelige verden Der er 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 hvis en række betingelser er opfyldt varmt vand Med hensyn til frysehastighed er det forud for koldt vejr; det 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 medstuderende, der observerede temperaturregimet for tilberedning 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 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".

Til dato er der dog 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 miljøet. 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 når volumetriske tab ved atmosfærisk tryk 15%;
• intensiteten af ​​varmevekslingen mellem væske og miljø jo højere, jo større er temperaturforskellen, så varmetabet af kogende vand passerer hurtigere;
• når varmt vand afkøles, dannes en isskorpe på dens overflade, 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.

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

"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, hvor filosoffer som Aristoteles og Descartes har tænkt over det,” sagde professor David Phillips, præsident for British Royal Society of Chemistry, som citeret i en pressemeddelelse fra Society.

Hvordan en kok fra Afrika besejrede en britisk fysikprofessor

Er ikke aprilsnar, men barsk fysisk virkelighed. Moderne videnskab, som let opererer med galakser og sorte huller og bygger gigantiske acceleratorer til at søge efter kvarker og bosoner, kan ikke forklare, hvordan elementært vand "virker". Skole lærebog siger tydeligt, at det tager længere tid at afkøle en varmere 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. Dette er hvad jeg skrev oldgræsk i bogen Meteorologica I: ”Det faktum, at vand forvarmes, er medvirkende til, at det fryser. Derfor sætter mange mennesker, når de vil køle varmt vand hurtigere, 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 termofysik, lykkedes med dette, og derfor blev sådan en ubelejlig kendsgerning "glemt" i lang tid.

Og først i 1968 "huskede" de takket være skoledrengen Erasto Mpembe fra Tanzania, langt fra nogen videnskab. Mens han studerede på en kulinarisk kunstskole 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. 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 efter alle reglerne.

Da Mpemba delte sin opdagelse med sin fysiklærer, grinede han af ham foran hele klassen. Mpemba huskede fornærmelsen. Fem år senere, som allerede var studerende på universitetet i Dar es Salaam, deltog han i et foredrag af den berømte fysiker Denis G. Osborne. Efter foredraget stillede han videnskabsmanden et spørgsmål: "Hvis du tager to identiske beholdere med lige store mængder vand, den ene ved 35 °C (95 °F) og den anden ved 100 °C (212 °F), og placerer 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 det gudsforladte Tanzania. Han gjorde grin med eleven. Men Mpemba var klar til et sådant svar og udfordrede videnskabsmanden til et væddemål. Deres strid endte med en eksperimentel test, der bekræftede, at Mpemba havde ret, og Osborne besejrede. Således skrev kokkelærlingen sit navn i videnskabens historie, og fra nu af kaldes dette fænomen "Mpemba-effekten." Det er umuligt at kassere det, at erklære det som "ikke-eksisterende". Fænomenet eksisterer, og som digteren skrev, "det gør ikke ondt."

Er støvpartikler og opløste stoffer skylden?

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

Til eksperimentet tog Brownridge to vandprøver af samme temperatur og placerede dem i fryseren. Han opdagede, at det ene af prøverne altid frøs før det andet, formentlig på grund af en anden kombination af urenheder.

Brownridge argumenterer for, at varmt vand afkøles hurtigere, fordi der er en større forskel mellem temperaturen på vandet og fryseren – dette hjælper det med at nå sit frysepunkt, før koldt vand når sit naturlige frysepunkt, som er lavere. i det mindste ved 5°C.

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.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Hvilket vand fryser hurtigere, koldt eller varmt?"- prøv at stille dine venner et spørgsmål, højst sandsynligt vil de fleste af dem svare, at koldt vand fryser hurtigere - og de vil lave en fejl.

Faktisk, hvis du samtidig placerer to kar af samme form og volumen i fryseren, hvoraf det ene indeholder koldt vand og det andet varmt, så er det det varme vand, der fryser hurtigere.

En sådan udtalelse kan virke absurd og urimelig. Hvis du følger logikken, skal varmt vand først køle ned til koldt vands temperatur, og koldt vand burde allerede blive til is på dette tidspunkt.

Så hvorfor slår varmt vand koldt vand på vej til at fryse? Lad os prøve at finde ud af det.

Observations- og forskningshistorie

Folk har observeret denne paradoksale effekt siden oldtiden, men ingen lagde stor vægt på den. Således bemærkede Arestoteles såvel som Rene Descartes og Francis Bacon i deres noter uoverensstemmelserne i hastigheden for frysning af koldt og varmt vand. Et usædvanligt fænomen dukkede ofte op i hverdagen.

I lang tid blev fænomenet ikke undersøgt på nogen måde og vakte ikke megen interesse blandt videnskabsmænd.

Begynd at studere usædvanlig effekt blev grundlagt i 1963, da en nysgerrig skoledreng fra Tanzania, Erasto Mpemba, bemærkede, at varm mælk til is frøs hurtigere end kold mælk. I håb om at få en forklaring på årsagerne til den usædvanlige effekt, spurgte den unge mand sin fysiklærer på skolen. Læreren lo dog kun af ham.

Senere gentog Mpemba forsøget, men i sit forsøg brugte han ikke længere mælk, men vand, og den paradoksale effekt blev gentaget igen.

6 år senere, i 1969, stillede Mpemba dette spørgsmål til fysikprofessor Dennis Osborn, som kom til hans skole. Professoren var interesseret i den unge mands observation, og som et resultat blev der udført et eksperiment, der bekræftede tilstedeværelsen af ​​effekten, men årsagerne til dette fænomen blev ikke etableret.

Siden er fænomenet blevet kaldt Mpemba effekt.

Gennem de videnskabelige observationers historie er der fremsat mange hypoteser om årsagerne til fænomenet.

Så i 2012 ville British Royal Society of Chemistry annoncere en konkurrence af hypoteser, der forklarer Mpemba-effekten. Forskere fra hele verden deltog i konkurrencen, i alt 22.000 var tilmeldt videnskabelige arbejder. På trods af et så imponerende antal artikler, bragte ingen af ​​dem klarhed over Mpemba-paradokset.

Den mest almindelige version var ifølge hvilken varmt vand fryser hurtigere, da det simpelthen fordamper hurtigere, dets volumen bliver mindre, og når volumenet falder, stiger dets afkølingshastighed. Den mest almindelige version blev til sidst tilbagevist, fordi der blev udført et eksperiment, hvor fordampning var udelukket, men effekten blev alligevel bekræftet.

Andre videnskabsmænd mente, at årsagen til Mpemba-effekten var fordampningen af ​​gasser opløst i vand. Efter deres mening fordamper gasser opløst i vand under opvarmningsprocessen, på grund af hvilket det får en højere densitet end koldt vand. Som det er kendt, fører en stigning i tætheden til en ændring fysiske egenskaber vand (øget termisk ledningsevne), og derfor en stigning i afkølingshastigheden.

Derudover er der fremsat en række hypoteser, der beskriver vandets cirkulationshastighed afhængig af temperatur. Mange undersøgelser har forsøgt at fastslå forholdet mellem materialet i beholderne, hvori væsken var placeret. Mange teorier virkede meget plausible, men de kunne ikke bekræftes videnskabeligt på grund af mangel på indledende data, modsigelser i andre eksperimenter, eller fordi de identificerede faktorer simpelthen ikke var sammenlignelige med vandets afkølingshastighed. Nogle videnskabsmænd satte i deres værker spørgsmålstegn ved eksistensen af ​​effekten.

I 2013 hævdede forskere ved Nanyang Technological University i Singapore at have løst mysteriet om Mpemba-effekten. Ifølge deres forskning ligger årsagen til fænomenet i, at mængden af ​​energi, der er lagret i brintbindinger mellem koldt- og varmtvandsmolekyler, er væsentligt forskellig.

Computermodelleringsmetoder viste følgende resultater: Jo højere vandtemperaturen er, jo større er afstanden mellem molekylerne på grund af, at frastødende kræfter øges. Følgelig strækker molekylernes brintbindinger sig og lagrer mere energi. Når de er afkølet, begynder molekylerne at bevæge sig tættere på hinanden og frigive energi fra brintbindinger. I dette tilfælde er frigivelsen af ​​energi ledsaget af et fald i temperaturen.

I oktober 2017 fandt spanske fysikere i løbet af en anden undersøgelse ud af, at en stor rolle i dannelsen af ​​effekten spilles af fjernelse af et stof fra ligevægt (stærk opvarmning før stærk afkøling). De bestemte betingelserne, hvorunder sandsynligheden for, at virkningen opstår, er maksimal. Derudover bekræftede videnskabsmænd fra Spanien eksistensen af ​​den omvendte Mpemba-effekt. De fandt ud af, at når den blev opvarmet, kunne en koldere prøve nå frem høj temperatur hurtigere end varmt.

På trods af omfattende information og adskillige eksperimenter har videnskabsmænd til hensigt at fortsætte med at studere effekten.

Mpemba-effekt i det virkelige liv

Har du nogensinde undret dig over, hvorfor skøjtebanen er oversvømmet om vinteren? varmt vand, og ikke koldt? Som du allerede forstår, gør de dette, fordi en skøjtebane fyldt med varmt vand vil fryse hurtigere, end hvis den var fyldt med koldt vand. Af samme grund hældes der varmt vand i rutsjebanerne i vinterisbyer.

Således giver viden om fænomenets eksistens folk mulighed for at spare tid, når de forbereder websteder til vinter arter sport

Derudover bruges Mpemba-effekten nogle gange i industrien til at reducere frysetiden for produkter, stoffer og materialer, der indeholder vand.

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! Denne fantastiske egenskab ved vand, som forskerne stadig ikke kan finde en nøjagtig forklaring på, 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. 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 ved forskellige temperaturer og konkluderede, at næsten kogende vand begynder at fryse meget hurtigere end vand ved stuetemperatur. Andre videnskabsmænd 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 væskens underafkøling, 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 omdannelse til is er forbundet med konvektion.

Konvektion- dette er et fysisk fænomen, hvor de varme nederste lag af en væske stiger, og de øverste, afkølede, falder.

Hej kære kærester interessante fakta. I dag vil vi tale med dig om. Men jeg synes, at spørgsmålet i titlen kan virke ganske absurd - men skal man altid stole fuldstændigt på den notoriske " sund fornuft", snarere end et strengt defineret testeksperiment. Lad os prøve at finde ud af, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand?

Historisk reference

At i spørgsmålet om frysning af koldt og varmt vand, "ikke alt er rent" blev nævnt i Aristoteles' værker, så blev lignende noter lavet af F. Bacon, R. Descartes og J. Black. I moderne historie Denne effekt fik navnet "Mpembas paradoks" - efter Tanganyika-skoleeleven Erasto Mpemba, der stillede det samme spørgsmål til en gæsteprofessor i fysik.

Drengens spørgsmål udsprang ikke af tomt rum, men fra rent personlige observationer af processen med afkøling af isblandinger i køkkenet. Selvfølgelig de klassekammerater, der var til stede der, sammen med skole lærer grinede af Mpemba - men efter en personlig eksperimentel test af professor D. Osborne, "fordampede ønsket om at gøre grin med Erasto". Desuden udgav Mpemba sammen med en professor i Physics Education i 1969 Detaljeret beskrivelse denne effekt - og siden er ovennævnte navn fastlagt i den videnskabelige litteratur.

Hvad er essensen af ​​fænomenet?

Eksperimentets opsætning er ret enkel: alt andet lige testes identiske tyndvæggede kar, der indeholder strengt lige store mængder vand, kun afvigende i temperatur. Karrene læsses i køleskabet, hvorefter tiden indtil der dannes is i hvert af dem registreres. Det paradoksale er, at i et kar med en i starten varmere væske sker dette hurtigere.

Hvordan forklarer moderne fysik dette?

Paradokset har ikke en universel forklaring, da flere parallelle processer foregår sammen, hvis bidrag kan variere afhængigt af de specifikke startbetingelser - men med et ensartet resultat:

• en væskes evne til at underkøle - i starten er koldt vand mere tilbøjeligt til underafkøling, dvs. forbliver flydende, når dens temperatur allerede er under frysepunktet
• accelereret afkøling - damp fra varmt vand omdannes til ismikrokrystaller, som, når de falder tilbage, accelererer processen og fungerer som en ekstra "ekstern varmeveksler"
• isoleringseffekt - i modsætning til varmt vand fryser koldt vand ovenfra, hvilket fører til et fald i varmeoverførsel ved konvektion og stråling

Der er en række andre forklaringer ( sidste gang British Royal Society of Chemistry afholdt en konkurrence om den bedste hypotese for nylig, i 2012) - men der er stadig ingen entydig teori for alle tilfælde af kombinationer af inputbetingelser...