Effetto mpemba o perché l'acqua calda si congela più veloce del freddo? Acqua calda e fredda: i segreti del congelamento.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Feri.

« Che acqua si congela più velocemente o caldo?"- Prova a fare una domanda con il tuo familiare, molto probabilmente la maggior parte di loro risponderà a quell'acqua fredda che si blocca più velocemente - e comperano un errore.

Infatti, se metti simultaneamente due modelli nel congelatore e nel volume della nave, in uno dei quali ci saranno acqua fredda, e in una diversa, allora l'acqua calda sarà gragata più velocemente.

Tale approvazione può sembrare assurda e irragionevole. Se segui la logica, allora l'acqua calda dovrebbe prima raffreddare fino alla temperatura del freddo, e il freddo in quel momento dovrebbe già trasformarsi in molto.

Allora perché le acque calde sorpassano il freddo sulla strada per congelarsi? Proviamo a capire.

Storia delle osservazioni e della ricerca

L'effetto paradossale che le persone hanno osservato per molto tempo, ma nessuno gli ha attaccato molta importanza. Quindi non ancorato nella velocità di acqua fredda e calda congelata osservata nel suo arresto dei record, oltre a Rene Descartes e Francis Bacon. Un fenomeno insolito è stato spesso manifestato nella vita di tutti i giorni.

Per molto tempo, il fenomeno non è stato studiato e non ha avuto molto interesse tra gli scienziati.

L'inizio dello studio di un effetto insolito è stato trovato nel 1963, quando uno scolaro culo inquisitore dalla Tanzania - Erasto Mpembea, ha notato che il latte caldo per il gelato si blocca più velocemente del freddo. Nella speranza di ottenere una spiegazione delle cause di un effetto insolito, il giovane ha chiesto il suo insegnante del medico a scuola. Tuttavia, l'insegnante rideva solo di lui.

Più tardi, Mpemba ha ripetuto l'esperimento, ma nella sua esperienza, non ha usato più latte, e l'acqua e l'effetto paradossale ripetutamente ripetutamente.

Dopo 6 anni - nel 1969, Mpembea ha posto a questa domanda al professor medico Dennis Osborne che è venuto nella sua scuola. Professore interessato all'osservazione del giovane, di conseguenza, è stato condotto un esperimento, che ha confermato l'effetto dell'effetto, ma non c'erano cause di questo fenomeno.

Da allora, il fenomeno è stato chiamato l'effetto di Mpemba.

Nell'intera storia delle osservazioni scientifiche, sono state avanzate una varietà di ipotesi sulle cause del fenomeno.

Così nel 2012, la British Royal Chemical Society sarebbe stata annunciata una gara di ipotesi che spiegano l'effetto del mpemba. Nella competizione, gli scienziati di tutto il mondo hanno partecipato, sono stati registrati 22.000 lavoro scientifico. Nonostante un numero così impressionante di articoli, nessuno di loro ha reso chiarezza nel paradosso del mpemb.

La versione più comune è stata eseguita in base alle quali, l'acqua calda si blocca più velocemente, poiché evapora solo più velocemente, diventa meno, e poiché il volume diminuisce, la sua velocità di raffreddamento aumenta. La versione più comune è stata alla fine confutata come un esperimento è stato condotto, in cui è stata esclusa l'evaporazione e l'effetto è stato comunque confermato.

Altri scienziati ritenevano che la causa dell'effetto dello Mpemba sia di evaporare disciolto nei gas dell'acqua. Secondo loro, nel processo di riscaldamento i gas sciolti in acqua sono evaporati, a causa del quale assume una maggiore densità rispetto al freddo. Come sapete, l'aumento della densità porta a un cambiamento proprietà fisiche Acqua (crescente conduttività termica) e di conseguenza un aumento del tasso di raffreddamento.

Inoltre, sono stati presentati un certo numero di ipotesi, che descrivono il tasso di circolazione dell'acqua, a seconda della temperatura. In molti studi, è stato fatto un tentativo di stabilire la relazione tra il materiale del contenitore in cui si trovava il liquido. Molte teorie sembravano molto credibili, ma scientificamente lo confermano non riescono a causa della mancanza di dati iniziali, contraddizioni in altri esperimenti, o per il fatto che i fattori identificati non erano semplicemente paragonabili alla velocità di raffreddamento dell'acqua. Alcuni scienziati nelle loro opere hanno interrogato l'esistenza dell'effetto.

Nel 2013, ricercatori di Università tecnologica Nanyang a Singapore ha dichiarato di risolvere il mistero dell'effetto del mpemba. Secondo la ricerca condotta da loro, la causa del fenomeno risiede nel fatto che la quantità di energia immagazzinata nei legami idrogeno tra le molecole di acqua calda e calda è significativamente diversa.

Metodi simulazione computerizzata Sono stati mostrati i seguenti risultati: maggiore è la temperatura dell'acqua, più grande è la distanza tra le molecole è dovuta al fatto che le forze di restrizione aumentano. E, di conseguenza, i legami di idrogeno di molecole sono tesi, una notevole quantità di energia. Quando le molecole raffreddate iniziano a chiudersi l'una con l'altra, rilascando l'energia da legami idrogeno. In questo caso, il ritorno dell'energia è accompagnato da una diminuzione della temperatura.

Nell'ottobre 2017, i fisici spagnoli hanno scoperto che un ruolo più ampio nella formazione dell'effetto svolge precisamente all'eliminazione di una sostanza dall'equilibrio (riscaldamento forte di fronte a un forte raffreddamento). Hanno determinato le condizioni in cui la probabilità dell'effetto dell'effetto è il massimo. Inoltre, gli scienziati della Spagna hanno confermato l'esistenza dell'effetto inverso del MPEmb. Rivelisero che quando riscaldato, un campione più freddo può raggiungere una temperatura elevata più veloce del caldo.

Informazioni disperabili e numerosi esperimenti, gli scienziati intendono continuare ad imparare l'effetto.

Effetto mpemba nella vita reale

E ci hai pensato, perché in inverno la pista è versata acqua calda, non freddo? Come hai già capito, fallo perché il rullo pieno di acqua calda congelarà più velocemente di se fosse pieno di freddo. Per la stessa ragione, le diapositive nelle città ghiacciate invernali sono piene di acqua calda.

Pertanto, la conoscenza dell'esistenza di un fenomeno consente alle persone di risparmiare tempo nella preparazione di siti per gli sport invernali.

Inoltre, l'effetto della scansione è talvolta utilizzato nell'industria - per ridurre i prodotti gelo, le sostanze e i materiali contenenti acqua.

Che tipo di acqua congela più veloce, caldo o freddo, molti fattori influenzano, ma la domanda stessa sembra un po 'strana. È implicito, e questo è noto dalla fisica che l'acqua calda ha ancora bisogno di tempo per rinfrescarsi fino alla temperatura dell'acqua fredda confrontata per trasformarsi in ghiaccio. Con acqua fredda, questa fase può essere saltata, e, di conseguenza, vince in tempo.

Ma la risposta alla domanda su quale acqua si congela più velocemente - freddo o caldo - sulla strada di Gelo, qualsiasi residente di latitudini settentrionale lo sa. In sostanza, scientificamente, si scopre che in ogni caso, l'acqua fredda è semplicemente obbligata a congelare più velocemente.

L'insegnante di fisica, a cui uno scolaro Erasto Mpembea rivolto nel 1963 per spiegare perché una miscela fredda di gelato futuro si blocca più a lungo di simile, ma caldo.

"Questa non è una fisica mondiale, ma una specie di fisica mpemb"

A quel tempo, l'insegnante ha riso solo a questo, ma Denss Osborne, professore di fisica, che in una volta ha guidato nella stessa scuola, dove ha studiato Erassto, ha confermato sperimentalmente la presenza di tale effetto, anche se non c'era alcuna spiegazione Questo. Nel 1969 in popolare giornale scientifico L'articolo congiunto di queste due persone è uscito, che ha descritto questo particolare effetto.

Da allora, a proposito, la questione di ciò che congela l'acqua è il congelamento - caldo o freddo, ha il proprio nome - l'effetto, o il paradosso, truffa.

La domanda sorse molto tempo fa

Naturalmente, prima che un tale fenomeno avesse un posto dove stare, ed è stato menzionato nelle opere di altri scienziati. Non solo uno scolaro era interessato a questo problema, ma stava pensando a questo René Descartes e persino Aristotele.

Ma solo approcci alla decisione di questo paradosso hanno iniziato a guardare solo alla fine del ventesimo secolo.

Condizioni per avere un paradosso

Come nel caso del gelato, non solo l'acqua ordinaria si congela durante l'esperimento. Ci devono essere certe condizioni per iniziare a sostenere quale acqua si congela più velocemente - fredda o calda. Cosa influisce sul corso di questo processo?

Ora, nel 21 ° secolo, sono state avanzate diverse opzioni, che possono spiegare il paradosso dato. Che tipo di acqua si blocca più veloce, calda o fredda, può dipendere dal fatto che ha un più grande di quello del freddo, il tasso di evaporazione. Pertanto, il suo volume diminuisce e con una diminuzione del volume e il tempo di congelamento diventa inferiore che se si prende una quantità iniziale simile di acqua fredda.

Per molto tempo hanno sfidato il congelatore

Che tipo di acqua si congela più velocemente, e perché ciò accade, può influire sul rivestimento della neve, che può verificarsi nel congelatore del frigorifero utilizzato per l'esperimento. Se prendi due contenitori identici in volume, ma in uno di loro ci saranno acqua calda, e nell'altro - un raffreddore, il contenitore con acqua calda si scioglie sotto la neve nevica, migliorando così il contatto del livello di calore con il muro del frigorifero. Il contenitore dell'acqua fredda non può farlo. Se non esiste un fodera del genere con la neve nella camera di refrigerazione, l'acqua fredda dovrebbe congelarsi più velocemente.

La parte superiore è diminuita

Anche il fenomeno di ciò che l'acqua si congela più velocemente - caldo o freddo, spiegato come segue. A seguito di determinate leggi, il congelamento dell'acqua fredda inizia dagli strati superiori quando è caldo al contrario - inizia a congelare dal basso verso l'alto. In questo caso, si scopre che l'acqua fredda, avendo uno strato freddo con già in luoghi formati il \u200b\u200bghiaccio, altera i processi di convezione e radiazione di calorePertanto, è spiegato quale acqua si congela più velocemente, fredda o calda. Foto da esperimenti amatoriali allegati, ed ecco chiaramente visibile.

Il calore esce, lo sforzo, e si trova con uno strato molto raffreddato. Non esiste un percorso libero per le emissioni di calore, perché il processo di raffreddamento diventa difficile. Tali ostacoli sul loro percorso assolutamente nessuna acqua calda. Ciò che si congela più velocemente, freddo o caldo, da cui dipende il probabile risultato dipende, è possibile espandere la risposta al fatto che qualsiasi acqua ha alcune sostanze discioltate in esso.

Impurità nella composizione dell'acqua come fattore che colpisce il risultato

Se non imbrogliati e usi l'acqua con la stessa composizione, dove le concentrazioni di determinate sostanze sono identiche, allora l'acqua fredda dovrebbe congelarsi più velocemente. Ma se la situazione si verifica se sciolta elementi chimici Disponibile solo in acqua calda e l'acqua fredda non li possiede, allora c'è l'opportunità di surgelare prima dell'acqua calda. È spiegato dal fatto che le sostanze disciolte nell'acqua creano centri di cristallizzazione, e con una piccola quantità di questi centri, la conversione dell'acqua nello stato solido è difficile. È possibile anche il supercinamento dell'acqua, nel senso che a una temperatura negativa sarà in uno stato liquido.

Ma tutte queste versioni, si può vedere, non organizzava pienamente gli scienziati e hanno continuato a lavorare su questo problema. Nel 2013, un team di ricercatori a Singapore ha dichiarato che sono riusciti a risolvere un enigma secolare.

Un gruppo di scienziati cinesi sostiene che il segreto di questo effetto consiste nella quantità di energia immagazzinata tra le molecole d'acqua nelle sue obbligazioni indicate come idrogeno.

Ripresa dagli scienziati cinesi

Avanti seguirà le informazioni, per capire quale è necessario avere una certa conoscenza in chimica per capire che acqua si congela più velocemente - caldo o freddo. Come è noto, consiste di due atomi H (idrogeno) e un atomo di (ossigeno) tenuto tra loro enti legami covalenti.

Ma anche gli atomi di idrogeno di una molecola sono attratti dalle molecole vicine, al loro componente di ossigeno. Questi sono presumibilmente chiamati idrogeno.

Va ricordato che allo stesso tempo le molecole d'acqua agiscono sull'altra repellente. Gli scienziati hanno notato che quando l'acqua riscaldata tra le sue molecole, la distanza è in aumento, e questa è promossa solo forze repulsive. Si scopre che occupando una distanza tra le molecole in condizioni fredde, si può dire allungata e hanno una maggiore fornitura di energia. È questa scorta di energia che viene rilasciata quando le molecole dell'acqua iniziano a avvicinarsi l'una all'altra, cioè si verifica il raffreddamento. Si scopre che la maggiore fornitura di energia in acqua calda e la sua maggiore versione durante il raffreddamento a temperature negative, è più veloce che in acqua fredda, che ha molta energia. Quindi che acqua si blocca più velocemente, fredda o calda? Sulla strada e in laboratorio ci dovrebbe essere un paradosso di feccia, e l'acqua calda dovrebbe trasformarsi in ghiaccio più velocemente.

Ma la domanda è ancora aperta

C'è solo la conferma teorica di questa attenuazione - tutto questo è scritto da belle formule e sembra plausibile. Ma quando questi esperimenti, che acqua si congela più velocemente, caldo o freddo, sarà consegnato in senso pratico, e saranno presentati i loro risultati, allora sarà possibile considerare la questione del paradosso della MPEMBI CHIUSO.

British Royal Chemical Society propone una ricompensa di 1mila sterline di qualcuno che può spiegare con scientifico Visione, perché in alcuni casi l'acqua calda si blocca più veloce del freddo.

"La scienza moderna non può ancora rispondere a questo semplice sguardo alla domanda. I produttori di gelato e barista utilizzano questo effetto nel loro lavoro quotidiano, Ma nessuno sa davvero perché funziona. Questo problema è già stato conosciuto per migliaia di anni, tali filosofi come Aristotele e Descartes hanno pensato, "ha detto il presidente della British Royal Chemical Society, il professor David Philips, le cui parole sono riportate nel comunicato stampa pubblica.

Come i cuochi dall'Africa hanno sconfitto il professore britannico della fisica

Questo non è uno scherzo primario, ma una dura realtà fisica. L'attuale scienza, con facilità delle galassie e dei buchi neri, costruendo giganteschi acceleratori giganteschi per cercare quark e bosoni, non può chiarire come l'acqua elementare "funziona". Il libro di testo scolastico rivendica inequivocabilmente che ci vuole più tempo per raffreddare il corpo più riscaldato che raffreddare il corpo del freddo. Ma per l'acqua, questa legge non è sempre seguita. Un altro Aristotele nel IV secolo aC stava prestando attenzione a questo paradosso. e. Questo è ciò che l'antico greco ha scritto nel libro "meteorologico I": "Il fatto che l'acqua sia preriscaldata, contribuisce al congelamento. Pertanto, molte persone quando vogliono raffreddare rapidamente acqua calda, primo messo al sole ... "Nel Medioevo, questo fenomeno ha cercato di spiegare Francis Bacon e Rene Descart. Ahimè, questo non è riuscito a non essere né nei grandi filosofi né numerosi scienziati che hanno sviluppato una fisica termica classica, e quindi un fatto così scomodo "dimenticato" per molto tempo.

E solo nel 1968 "ricordavano" grazie allo scolaro Erasto Mentember di Tanzania lontano da qualsiasi scienza. Studiando nel checker of Cook Art, nel 1963, il 13enne MPember ha ricevuto un compito per fare il gelato. Secondo la tecnologia, era necessario far bollire latte, dissolvere lo zucchero in esso, raffreddare a temperatura ambiente, e quindi metterlo in frigo per il congelamento. Apparentemente, Mpemba non era uno studente diligente e impastato. Timore che non avrebbe avuto il tempo per la fine della lezione, mise nel frigorifero ancora latte caldo. A sua sorpresa, ha congelato anche prima del latte dei suoi compagni, cucinato in tutte le regole.

Quando Mpemba ha condiviso la sua scoperta con un insegnante di medico, lo sollevò a ridere di fronte all'intera classe. Mpemba ha ricordato offesa. Cinque anni dopo, è già stato uno studente universitario a Dar-Es-Salama, era alla conferenza della famosa fisica di Denis Osborne. Dopo la conferenza, ha chiesto a una domanda scienziata: "Se prendi due contenitori identici con una quantità uguale di acqua, uno con una temperatura di 35 ° C (95 ° F) e l'altro è 100 ° C (212 ° F) e metterli nel congelatore, quindi l'acqua nel contenitore caldo si bloccherà più velocemente. Perché?" Puoi immaginare la reazione del professore britannico alla possibilità di un giovane del Dio dimenticato della Tanzania. Ha ridicolizzato lo studente. Tuttavia, Mpemba era pronto per una tale risposta e ha chiamato uno scienziato sulla scommessa. La loro controversia è stata completata dalla verifica sperimentale che conferma la correttezza dello mpemba e della sconfitta di Osborne. Quindi lo studente del cuoco ha iscritto il suo nome nella storia della scienza, e da ora in questo fenomeno è chiamato "effetto mpmbe". Gettalo, dichiara come se "inesistente" non funzioni. Il fenomeno esiste, e, come ha scritto il poeta, "né nella gamba del dente".

Incolpare polvere e sostanze disciolte?

Negli ultimi anni, molti hanno cercato di risolvere il mistero dell'acqua di congelamento. È stato proposto un intero bouquet di spiegazioni di questo fenomeno: evaporazione, convezione, l'effetto delle sostanze disciolte - ma nessuno di questi fattori non può essere riconosciuto. Un numero di scienziati dedicati all'effetto di Mpemba tutta la vita. Dipartimento dei dipendenti della sicurezza delle radiazioni Università Statale New York - James Brownridge - in tempo libero Ha studiato il paradosso per un decennio per un decennio. Dopo aver trascorso centinaia di esperimenti, lo scienziato sostiene che ha prove di "colpa" dell'ipotermia. Braungee spiega che a 0 ° C acqua è ipodizzata solo e inizia a congelare quando la temperatura scende sotto. Il punto di congelamento è governato da impurità in acqua - è se cambiano il tasso di formazione di cristalli di ghiaccio. Le impurità, e queste sono polvere, batteri e sali disciolti, hanno una temperatura di nucleazione caratteristica di loro, quando il ghiaccio cristallino è formato attorno ai centri di cristallizzazione. Quando diversi elementi si trovano nell'acqua, la temperatura di congelamento è determinata da quelle di esse, che ha la massima temperatura di nucleazione.

Per l'esperienza di Braunning, ha preso due campioni d'acqua della stessa temperatura e li colloca nel congelatore. Ha scoperto che una delle copie si blocca sempre prima dell'altro - presumibilmente, a causa della diversa combinazione di impurità.

Braunce afferma che l'acqua calda si raffredda più velocemente a causa di differenze più grandi Tra le temperature dell'acqua e del congelatore - la aiuta a raggiungere il suo punto di congelamento prima che l'acqua fredda raggiunga il suo punto di congelamento naturale, che è inferiore, almeno 5 ° C.

Tuttavia, il ragionamento della Braindage causa molte domande. Pertanto, coloro che saranno in grado di spiegare l'effetto del MPEmb a modo suo, c'è la possibilità di combattere per mille sterline della Sterlina dalla British Royal Chemical Society.

Ciao, cari amanti fatti interessanti. Oggi parleremo. Ma penso che la domanda fatta nel titolo possa sembrare semplicemente assurda - ma se è sempre necessario fidarsi del notorio " buon senso", Non ha strettamente consegnato l'esperienza di verifica. Proviamo a capire perché l'acqua calda si congela più del freddo?

Riferimento storico

Che nella questione di congelarsi l'acqua fredda e calda "non tutto è puro" menzionato negli scritti di Aristotele, allora il tipo simile di note ha fatto F. Konkon, R. Dekart e J. Blk. NEL storia più recente Per questo effetto, il nome "Paradox of MPEM" è stato trincerato - con il nome di uno scolaro da Tanganyki Erasto Mpembe, che ha chiesto alla stessa domanda dal professore di arrivo della fisica.

La domanda del ragazzo non è nata in un posto vuoto, ma da osservazioni puramente personali oltre il processo di miscele di raffreddamento per il gelato in cucina. Naturalmente, compagni di classe che erano presenti lì insieme insegnante di scuola Sollevato MPEMBU sulle risate, tuttavia, dopo l'ispezione sperimentale, un personalmente, professore, D.Sborne, il desiderio di precipitarsi su Erasto che "evaporato". Inoltre, Mpemba, insieme al Professore nel 1969, una descrizione dettagliata di questo effetto è stata pubblicata nell'educazione fisica - e da allora il nome sopra menzionato è stato acquisito nella letteratura scientifica.

Qual è l'essenza del fenomeno?

La performance dell'esperienza è abbastanza semplice: con altre cose uguali, gli stessi vasi a pareti sottili stanno vivendo, in essi - quantità rigorosamente uguali di acqua, differiscono solo a temperatura. Le navi sono caricate nel frigorifero, dopodiché il tempo scorre verso la formazione del ghiaccio in ciascuno di essi. Il paradosso è che in una nave con il liquido inizialmente più caldo, questo accade più velocemente.

Come lo spiega questa fisica?

La spiegazione universale del paradosso non ha, poiché diversi processi paralleli sono procede congiuntamente, il cui contributo può essere variato da specifici condizioni iniziali - Ma con un risultato uniforme:

• la capacità del fluido di superkoling - Inizialmente acqua fredda è più incline al sovraccarico, cioè. rimane liquido quando la sua temperatura è già sotto il punto di congelamento
• il raffreddamento accelerato - il vapore dalle acque calde si trasforma in ghiaccio microcristallina, che in autunno accelera il processo, lavorando come aggiuntivo "scambiatore di calore esterno"
• l'effetto dell'isolamento - in contrasto con l'acqua calda e fredda si congela dall'alto, il che porta a una diminuzione della convezione del trasferimento di calore e della radiazione

Ci sono una serie di altre spiegazioni ( ultima volta La concorrenza per la migliore ipotesi British Royal Chemical Society ha recentemente condotto, nel 2012) - ma la teoria non ambigua per tutti i casi di combinazioni di condizioni di input non esistono finora ...

In questo articolo, considereremo la questione del perché l'acqua calda si congela più veloce del freddo.

L'acqua riscaldata si congela molto più veloce del freddo! Questa è una struttura straordinaria di acqua, una spiegazione accurata per il quale gli scienziati non riescono a trovare finora, è conosciuto fin dall'antichità. Ad esempio, Aristotele ha ancora una descrizione della pesca invernale: i pescatori inseriti canne da pesca in buchi di ghiaccio e in modo che rapidamente congelati, ghiacciati con acqua calda. Il nome di questo fenomeno ricevuto da Erasto Mpemba negli anni '60 del XX secolo. Monsba ha notato uno strano effetto quando stavo preparando il gelato e ha affrontato le spiegazioni al mio insegnante di fisica - Dr. Denis Osborne. Mpemba e Dr. Osborne hanno sperimentato con acqua di temperature diverse e concluse: l'acqua quasi bollente inizia a congelare molto più velocemente della temperatura ambiente dell'acqua. Altri scienziati hanno condotto i propri esperimenti e ogni volta che hanno ricevuto risultati simili.

Spiegazione del fenomeno fisico

Una spiegazione generalmente accettata, perché è così lontano. Molti ricercatori suggeriscono che il tutto nel sovraccarico fluido, che si verifica quando la sua temperatura scende sotto la temperatura di congelamento. In altre parole, se l'acqua si congela a temperature inferiori a 0 ° C, l'acqua condensata può avere una temperatura, ad esempio, a -2 ° C e allo stesso tempo rimangono liquidi senza girare in ghiaccio. Quando cerchiamo di congelare l'acqua fredda, c'è la possibilità che lo farà sopravvivere, ma si indurisce solo dopo un po '. Altri processi si verificano in acqua riscaldata. La sua trasformazione più rapida in ghiaccio è associata alla convezione.

Convezione - Questo è un fenomeno fisico in cui gli strati inferiori caldi di aumento del fluido, e la parte superiore, raffreddamento, sono abbassati.