Fryser hurtigere varmt eller koldt. Hvorfor fryser varmt vand hurtigere end koldt

Vand er en af \u200b\u200bde mest fantastiske væsker i verden, som har usædvanlige egenskaber. For eksempel er is en fast tilstand af væske, har en specifik tyngdekraft, der er lavere end selve vandet, hvilket gjorde fremkomsten og udviklingen af \u200b\u200bliv på Jorden på mange måder mulig. Derudover er der i den næsten-videnskabelige og i den videnskabelige verden diskussioner om, hvilket vand fryser hurtigere - varmt eller koldt. Enhver, der beviser hurtigere frysning af varm væske under visse betingelser og videnskabeligt underbygger sin beslutning, vil modtage en belønning på 1.000 pund fra British Royal Society of Chemists.

sygehistorie

Det faktum, at varmt vand fryser hurtigere end koldt vand i middelalderen under en række forhold. En forklaring på dette fænomen har været en stor indsats fra Francis Bacon og René Descartes. Fra det klassiske varmetekniks synspunkt kan dette paradoks imidlertid ikke forklares, og de forsøgte at skamfuldt tie om det. Drivkraften for fortsættelsen af \u200b\u200bdebatten var en lidt nysgerrig historie, der skete med den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba i 1963. En gang, under en dessertkogelektion i en kokkeskole, lykkedes det drengen, distraheret af fremmede forhold, ikke at køle isblandingen til tiden og lægge en opløsning af sukker i mælken i fryseren. Til hans overraskelse afkølet produktet noget hurtigere end hos hans med-udøvere, der overvågede temperaturregimet for fremstilling af is.

Da han forsøgte at afklare essensen af \u200b\u200bfænomenet, vendte drengen sig til en fysiklærer, der uden at gå i detaljer, latterliggjorde sine kulinariske eksperimenter. Erasto blev imidlertid kendetegnet ved en misundelsesværdig holdbarhed og fortsatte sine eksperimenter ikke i mælk, men i vand. Han var overbevist om, at indefrysningen af \u200b\u200bvarmt vand i nogle tilfælde er hurtigere end koldt.

På indrejse på University of Dar es Salaam deltog Erasto Mpembe på et foredrag af professor Dennis G. Osborne. Efter eksamen afsluttede den studerende forskeren med problemet med frysningshastigheden afhængig af dens temperatur. GD Osborne latterliggjorde selve formuleringen af \u200b\u200bspørgsmålet og sagde med aplomb, at enhver dvoechnik ved, at koldt vand vil fryse hurtigere. Den unge mands naturlige stæghed gjorde sig imidlertid opmærksom på. Han lavede en indsats med professoren og foreslog her på laboratoriet at gennemføre en eksperimentel test. Erasto anbragte to containere med vand i fryseren, hvis temperatur i den ene var 35 ° C (95 ° F) og i den anden - 100 ° C (212 ° F). Hvad var professoren og de omkringliggende "fans" overraskelse, da vandet i den anden beholder frøs hurtigere. Siden da er dette fænomen kaldet Mpemba-paradokset.

Til dato er der imidlertid ingen harmonisk teoretisk hypotese, der forklarer Mpemba-paradokset. Det er ikke klart, hvilke eksterne faktorer, den kemiske sammensætning af vand, tilstedeværelsen af \u200b\u200bopløste gasser og mineraler deri påvirker frysningshastigheden for væsker ved forskellige temperaturer. Paradokset med "Mpemba-effekten" er, at det er i modstrid med en af \u200b\u200bde love, der er opdaget af I. Newton, hvor det hedder, at afkølingstiden af \u200b\u200bvand er direkte proportional med temperaturforskellen mellem væske og miljø. Og hvis alle andre væsker er helt underlagt denne lov, er vand i nogle tilfælde en undtagelse.

Hvorfor varmt vand fryser hurtigeret

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

• varmt vand fordamper hurtigere, mens dets volumen falder, og en mindre mængde væske afkøles hurtigere - når vand afkøles fra + 100 ° C til 0 ° C, når volumetriske tab ved atmosfæretryk 15%;
• varmevekslingen mellem væske og miljø er højere, jo større er temperaturdifferencen, så varmetabet af kogende vand går hurtigere;
• ved afkøling af varmt vand dannes en isskorpe på dens overflade, hvilket forhindrer fuldstændig frysning af væsken og dens fordampning;
• ved en høj vandtemperatur forekommer dens konvektionsblanding, hvilket reducerer frysetiden;
• gasserne opløst i vand sænker frysepunktet og tager energi til krystaldannelse - der er ingen opløste gasser i varmt vand.

Alle disse betingelser blev gentagne gange testet eksperimentelt. Især fandt den tyske forsker David Auerbach, at krystalliseringstemperaturen for varmt vand er lidt højere end koldt vand, hvilket gør det hurtigere at fryse først. Senere blev hans eksperimenter imidlertid kritiseret, og mange videnskabsmænd er overbeviste om, at "Mpamba-effekten", om hvilken vand fryser hurtigere - varmt eller koldt, kun kan gengives under visse betingelser, ingen har været engageret i at søge og konkretisere i øjeblikket.

British Royal Chemical Society tilbyder en £ 1000-belønning til nogen, der videnskabeligt kan forklare, hvorfor i nogle tilfælde fryser varmt vand hurtigere end koldt.

”Moderne videnskab kan stadig ikke besvare dette enkle spørgsmål ved første øjekast. Isproducenter og bartendere bruger denne effekt i deres daglige arbejde, men ingen ved virkelig, hvorfor det fungerer. Dette problem har været kendt i årtusinder, filosofer som Aristoteles og Descartes har tænkt på det, ”sagde præsidenten for det britiske Royal Chemical Society, professor David Philips, hvis ord er citeret i pressemeddelelsen fra Society.

Hvordan en afrikansk kok besejrede den britiske fysikprofessor

Dette er ikke en April Fool-vittighed, men en hård fysisk virkelighed. Nuværende videnskab, der let fungerer med galakser og sorte huller, bygger gigantiske acceleratorer til at søge efter kvarker og bosoner, kan ikke forklare, hvordan grundvand "fungerer". Skolens lærebog hævder utvetydigt, at det tager længere tid at køle en varmere krop end at køle 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 den antikke græske skrev i bogen Meteorologica I: ”Det faktum, at vand forvarmes, bidrager til, at det fryses. Derfor har mange mennesker, når de hurtigt vil køle varmt vand, først sat det i solen ... ”I middelalderen forsøgte Francis Bacon og Rene Descartes at forklare dette fænomen. Desværre lykkedes det hverken de store filosoffer eller de mange videnskabsfolk, der udviklede klassisk termofysik, og derfor "glemte" en sådan ubekvem kendsgerning i lang tid.

Og først i 1968 "huskede" det takket være skoledrengen Erasto Mpembe fra Tanzania, langt fra nogen videnskab. 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 til frysning. Tilsyneladende var Mpemba ikke en dygtig studerende og tøvede. I frygt for, at han ikke ville være i tide i slutningen af \u200b\u200blektionen, lagde han stadig varm mælk i køleskabet. Til hans overraskelse frøs det endnu tidligere end hans kammeraters mælk, kogt i overensstemmelse med alle regler.

Da Mpemba delte sin opdagelse med en fysiklærer, latterliggjorde han ham foran hele klassen. Mpemba huskede fornærmelsen. Fem år senere, allerede universitetsstuderende i Dar es Salaam, var han på et foredrag af den berømte fysiker Denis G. Osborne. Efter foredraget stillede han forskeren spørgsmålet: ”Hvis du tager to identiske containere med en lige stor mængde vand, den ene med en temperatur på 35 ° C og den anden 100 ° C (212 ° F) og lægger dem i fryseren, så vand i en varm beholder fryser hurtigere. Hvorfor? ”Kan du forestille dig en britisk professors reaktion på spørgsmålet om en ung mand fra Tanzania, glemt af Gud. Han gjorde narr af en studerende. Mpemba var imidlertid klar til et sådant svar og kaldte videnskabsmanden til at satse. Deres argument kulminerede i en eksperimentel test, der bekræftede sandheden om Mpemba og Osbornes nederlag. Så studentkokken indtastede sit navn i videnskabshistorien, og fra nu af kaldes dette fænomen "Mpemba-effekten". At afvise det ved at erklære, at "ikke-eksisterende" ikke fungerer. Fænomenet eksisterer, og som digteren skrev, "ikke med en tand".

Støvpartikler og opløste stoffer er skylden?

I årenes løb har mange forsøgt at afsløre mysteriet med frysevand. Der blev foreslået en hel række forklaringer på dette fænomen: fordampning, konvektion, påvirkning af opløste stoffer - men ingen af \u200b\u200bdisse faktorer kan betragtes som endelige. En række forskere har viet deres liv til Mpemba-effekten. James Brownridge, medarbejder ved afdelingen for strålingssikkerhed ved New York State University, har studeret paradokset på fritiden i over et årti. Efter hundreder af eksperimenter hævder videnskabsmanden at have bevis for "skyld" ved hypotermi. Braunridge forklarer, at ved 0 ° C afkøles vandet og begynder at fryse, når temperaturen falder til under. Frysepunktet reguleres af urenhederne i vandet - det er de, der ændrer dannelsen af \u200b\u200biskrystaller. Urenheder, der er støvpartikler, bakterier og opløste salte, har en nukleationstemperatur, der er karakteristisk for dem, når der dannes iskrystaller omkring krystallisationscentre. Når flere elementer er i vand på én gang, bestemmes frysetemperaturen af \u200b\u200bden, der har den højeste nucleation-temperatur.

Til eksperimentet tog Braunridge to prøver af vand med den samme temperatur og anbragte dem i fryseren. Han fandt, at et af prøverne altid fryser foran det andet - formodentlig på grund af en anden kombination af urenheder.

Braunridge hævder, at varmt vand afkøles hurtigere på grund af den større forskel mellem temperaturerne i vandet og fryseren - dette hjælper det med at nå sit frysepunkt, før det kolde vand når sit naturlige frysepunkt, som er mindst 5 ° C lavere.

Braunridge's resonnement rejser dog mange spørgsmål. Derfor har dem, der vil være i stand til at forklare på deres egen måde virkningen af \u200b\u200bMpemba, en chance for at konkurrere om tusind pund fra British Royal Chemical Society.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

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

Faktisk, hvis to kar med samme form og volumen sættes i fryseren på samme tid, hvoraf det ene har koldt vand og det andet varmt, fryser varmt vand hurtigere.

En sådan erklæring kan virke absurd og urimelig. Hvis du følger logikken, skal det varme vand først afkøles til temperaturen i kulden, og det kolde på dette tidspunkt skulle allerede blive til is.

Så hvorfor overhaler varmt vand koldt vand på vej mod frysning? Lad os prøve at finde ud af det.

Observations- og forskningshistorie

Folk har observeret en paradoksal virkning siden oldtiden, men ingen har lagt særlig vægt på den. Således bemærkede Arrestotle samt Rene Descartes og Francis Bacon i deres optegnelser, at de ikke stemte overens med frysningshastigheden for koldt og varmt vand. Et usædvanligt fænomen manifesterer sig ofte i hverdagen.

I lang tid blev fænomenet ikke undersøgt på nogen måde og skabte ikke særlig interesse blandt forskere.

Undersøgelsen af \u200b\u200bden usædvanlige effekt begyndte i 1963, da en nysgerrig studerende fra Tanzania, Erasto Mpemba, bemærkede, at varm mælk til is fryser hurtigere end koldt. I håb om at få en forklaring af årsagerne til den usædvanlige virkning stillede den unge mand et spørgsmål til sin fysiklærer i skolen. Dog lærte læreren kun af ham.

Senere gentog Mpemba eksperimentet, men i sit eksperiment brugte han ikke mælk, men vand, og den paradoksale virkning blev gentaget igen.

Efter 6 år - i 1969, stillede Mpemba dette spørgsmål til fysikprofessor Dennis Osbourne, der ankom til sin skole. Professorerne var interesseret i at observere den unge mand, som et resultat blev der udført et eksperiment, der bekræftede tilstedeværelsen af \u200b\u200beffekten, men årsagerne til dette fænomen blev ikke fastlagt.

Siden da er fænomenet blevet kaldt mpemba-effekt.

I hele historien med videnskabelige observationer er der blevet fremsat mange hypoteser om årsagerne til fænomenet.

Så i 2012 ville British Royal Chemical Society have annonceret en konkurrence med hypoteser, der forklarede Mpemba-effekten. Forskere fra hele verden deltog i konkurrencen, i alt 22.000 videnskabelige artikler blev registreret. På trods af et så imponerende antal artikler klarede ingen af \u200b\u200bdem Mpemba-paradokset.

Den mest almindelige version var, hvorefter varmt vand fryser hurtigere, da det simpelthen fordamper hurtigere, dets volumen bliver mindre, og når lydstyrken falder, stiger dens kølehastighed. Den mest almindelige version blev til sidst modbevist, da der blev udført et eksperiment, hvor fordampning blev udelukket, og effekten blev ikke desto mindre bekræftet.

Andre forskere mente, at grunden til Mpemba-effekten er fordampningen af \u200b\u200bgasser, der er opløst i vand. Efter deres opfordring fordampes de gasser, der er opløst i vand, under opvarmning, hvorved de får en højere densitet end koldt. Som du ved fører en stigning i densitet til en ændring i de fysiske egenskaber ved vand (en stigning i termisk ledningsevne) og dermed en stigning i kølehastigheden.

Derudover blev der fremsat et antal hypoteser, der beskriver hastigheden for vandcirkulation, afhængig af temperaturen. Mange undersøgelser har forsøgt at etablere forholdet mellem materialet i containerne, hvor væsken befandt sig. Mange teorier virkede meget plausible, men de kunne ikke bekræftes videnskabeligt på grund af mangel på oprindelige data og modsigelser i andre eksperimenter, eller fordi de identificerede faktorer simpelthen ikke var sammenlignelige med kølehastigheden for vand. Nogle forskere rejste spørgsmålstegn ved effekten af \u200b\u200beffekten.

I 2013 sagde forskere fra Nanyang University of Technology i Singapore, at de havde løst mysteriet om Mpemba-effekten. Ifølge deres undersøgelse ligger årsagen til fænomenet i det faktum, at mængden af \u200b\u200benergi, der er lagret i brintbindingerne mellem molekylerne i koldt og varmt vand, er markant forskellige.

Computersimuleringsmetoder viste følgende resultater: jo højere vandtemperatur, desto større er afstanden mellem molekylerne på grund af det faktum, at de frastødende kræfter øges. Følgelig strækkes molekylenes hydrogenbindinger, hvilket lagrer mere energi. Efter afkøling begynder molekylerne at nærme sig hinanden og frigiver energi fra brintbindinger. I dette tilfælde ledsages energireturen af \u200b\u200bet fald i temperaturen.

I oktober 2017 fandt spanske fysikere i løbet af den næste undersøgelse ud af, at fjernelse af stoffet fra ligevægt (stærk opvarmning inden stærk afkøling) spiller en vigtig rolle i dannelsen af \u200b\u200beffekten. De bestemte betingelserne, under hvilke sandsynligheden for manifestation af effekten er maksimal. Derudover har forskere fra Spanien bekræftet eksistensen af \u200b\u200bden omvendte effekt af Mpemba. De fandt ud af, at en koldere prøve, når den opvarmes, kan nå en høj temperatur hurtigere end en varm prøve.

På trods af omfattende information og adskillige eksperimenter agter forskerne at fortsætte med at studere effekten.

Mpemba-virkning i det virkelige liv

Har du nogensinde spekuleret på, hvorfor om vinteren er rinket fyldt med varmt vand og ikke koldt? Som du allerede har forstået, gør de dette, fordi skøjtebanen fyldt med varmt vand fryser hurtigere end hvis den var fyldt med kulde. Af samme grund hældes lysbilleder i vinterisbyer med varmt vand.

Således giver viden om eksistensen af \u200b\u200bfænomenet folk mulighed for at spare tid på at forberede steder til vintersport.

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

I denne artikel overvejer vi, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand.

Opvarmet vand fryser meget hurtigere end koldt! Denne fantastiske egenskab med vand, den nøjagtige forklaring, som forskere ikke kan finde på indtil nu, har været kendt siden oldtiden. For eksempel fandt Aristoteles også en beskrivelse af vinterfiskeri: fiskerne indsatte fiskestænger i hullerne i isen, og så de fryser hurtigere, hældte de is over varmt vand. Navnet på dette fænomen blev opkaldt Erasto Mpemba i 60'erne af XX århundrede. Mnemba bemærkede en mærkelig virkning, når hun tilberedte is, og henvendte sig til forklaring til sin fysiklærer, Dr. Denis Osbourne. Mpemba og Dr. Osborne eksperimenterede med vand med forskellige temperaturer og konkluderede: næsten kogende vand begynder at fryse meget hurtigere end vand ved stuetemperatur. Andre forskere gennemførte deres egne eksperimenter og modtog hver gang lignende resultater.

Fysisk forklaring

Der er ingen universelt accepteret forklaring på, hvorfor dette sker. Mange forskere antyder, at det hele handler om superkøling af en væske, der opstår, når temperaturen falder under frysepunktet. Med andre ord, hvis vandet fryser ved en temperatur under 0 ° C, kan superkølet vand have en temperatur for eksempel -2 ° C og stadig forblive flydende uden at blive til is. Når vi prøver at fryse koldt vand, er der en chance for, at det først afkøles og hærder først efter nogen tid. I opvarmet vand forekommer andre processer. Dens hurtigere omdannelse til is er forbundet med konvektion.

konvektion   - Dette er et fysisk fænomen, hvor de varme nedre lag af væsken stiger, og de øverste, afkølede, nedre.

Hej kære elskere af interessante fakta. I dag taler vi om dig. Men jeg tror, \u200b\u200bat spørgsmålet, der stilles i overskriften, kan virke simpelthen absurd - men bør man altid stole fuldstændigt på den berygtede ”sund fornuft” og ikke på en strengt testoplevelse. Lad os prøve at finde ud af, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt?

Historisk baggrund

At der i spørgsmålet om frysning af koldt og varmt vand ”ikke alt er rent” blev nævnt tilbage i Aristoteles skrifter, så gjorde F. Bacon, R. Descartes og J. Black lignende noter. I nyere historie har denne effekt fået navnet "Mpemba-paradoks" - efter skoledrengen fra Tanganyika Erasto Mpemba, der stillede den besøgende professor i fysik det samme spørgsmål.

Drengens spørgsmål opstod ikke fra bunden, men fra rent personlige observationer af køleprocessen for isblandinger i køkkenet. Naturligvis latterligtgjorde klassekammeraterne, der var til stede der sammen med skolelæreren Mpemba - imidlertid efter en eksperimentel kontrol personligt af professor D. Osborne, deres ønske om at gøre narr af Erasto "fordampet". Desuden offentliggjorde Mpemba sammen med en professor i 1969 en detaljeret beskrivelse af denne effekt i Fysikuddannelse - og siden er det førnævnte navn blevet fastlagt i den videnskabelige litteratur.

Hvad er essensen af \u200b\u200bfænomenet?

Eksperimentopsætningen er ganske enkel: ceteris paribus, de samme tyndvæggede kar testes, de indeholder strengt lige store mængder vand, som kun adskiller sig i temperatur. Karene anbringes i køleskabet, hvorefter tiden registreres, indtil dannelsen af \u200b\u200bis i hver af dem. Paradokset er, at dette sker hurtigere i et kar med en oprindelig varmere væske.

Hvordan forklarer moderne fysik dette?

Paradokset har ikke en universel forklaring, da flere parallelle processer forekommer sammen, hvis bidrag kan afvige fra de specifikke startbetingelser - men med et ensartet resultat:

• flydende superkøling evne - oprindeligt koldt vand er mere tilbøjelige til hypotermi, dvs. forbliver flydende, når temperaturen allerede er under frysepunktet
• accelereret afkøling - damp fra varmt vand omdannes til ismikrokrystalliner, der, når det falder tilbage, accelererer processen og fungerer som en ekstra "ekstern varmeveksler"
• isoleringseffekt - i modsætning til varmt, koldt vand fryser ovenfra, hvilket fører til et fald i varmeoverførsel ved konvektion og stråling

Der er en række andre forklaringer (sidste gang British Royal Chemical Society 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 ...