La British Royal Society of Chemistry offre una ricompensa di £ 1.000 a chiunque possa spiegare scientificamente perché in alcuni casi acqua calda congela più velocemente del freddo.

“La scienza moderna non è ancora in grado di rispondere a questa domanda apparentemente semplice. Gelatieri e baristi usano questo effetto nel loro lavoro quotidiano, ma nessuno sa davvero perché funzioni. Questo problema è noto da millenni, ci hanno pensato filosofi come Aristotele e Cartesio”, ha affermato il presidente della Royal Society of Chemistry britannica, il professor David Philips, citato in un comunicato stampa della Società.

Come uno chef africano ha battuto un professore di fisica britannico

Questo non è uno scherzo di pesce d'aprile, ma una dura realtà fisica. La scienza odierna, che opera facilmente su galassie e buchi neri, costruendo giganteschi acceleratori per la ricerca di quark e bosoni, non può spiegare come "funziona" l'acqua elementare. Il libro di testo scolastico afferma inequivocabilmente che ci vuole più tempo per raffreddare un corpo caldo che per raffreddare un corpo freddo. Ma per l'acqua, questa legge non è sempre rispettata. Aristotele attirò l'attenzione su questo paradosso nel IV secolo a.C. e. Ecco cosa scriveva il greco antico nel libro "Meteorologica I": "Il fatto che l'acqua sia preriscaldata contribuisce al suo congelamento. Pertanto, molte persone, quando vogliono raffreddare rapidamente l'acqua calda, prima la mettono al sole ... ”Nel Medioevo, Francis Bacon e Rene Descartes hanno cercato di spiegare questo fenomeno. Purtroppo, né i grandi filosofi né i numerosi scienziati che hanno sviluppato la fisica termica classica ci sono riusciti, e quindi un fatto così scomodo è stato "dimenticato" per molto tempo.

E solo nel 1968 si “ricordarono” grazie allo scolaro Erasto Mpemba della Tanzania, lontano da ogni scienza. Mentre studiava in una scuola di cucina, nel 1963, Mpembe, 13 anni, ricevette l'incarico di fare il gelato. Secondo la tecnologia, era necessario far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo in frigorifero per congelarlo. Apparentemente, Mpemba non era uno studente diligente ed esitò. Temendo di non essere in tempo alla fine della lezione, mise in frigorifero il latte ancora caldo. Con sua sorpresa, gelò ancor prima del latte dei suoi compagni, preparato secondo tutte le regole.

Quando Mpemba ha condiviso la sua scoperta con un insegnante di fisica, lo ha preso in giro davanti a tutta la classe. Mpemba si è ricordato dell'insulto. Cinque anni dopo, già studente all'Università di Dar es Salaam, era a una conferenza del famoso fisico Denis G. Osborn. Dopo la lezione, ha posto allo scienziato una domanda: "Se prendi due contenitori identici con la stessa quantità di acqua, uno a 35 °C (95 °F) e l'altro a 100 °C (212 °F), e metti nel congelatore, quindi l'acqua in un contenitore caldo si congelerà più velocemente. Come mai?" Potete immaginare la reazione di un professore britannico alla domanda di un giovane della Tanzania dimenticata da Dio. Ha preso in giro lo studente. Tuttavia, Mpemba era pronto per una simile risposta e ha sfidato lo scienziato a una scommessa. La loro argomentazione è culminata in un test sperimentale che ha dimostrato che Mpemba aveva ragione e Osborne sconfitto. Così lo studente cuoco ha iscritto il suo nome nella storia della scienza, e d'ora in poi questo fenomeno è chiamato "effetto Mpemba". Scartarlo, dichiararlo come se "inesistente" non funzionasse. Il fenomeno esiste e, come scrisse il poeta, "non nel dente con un piede".

La colpa è delle particelle di polvere e delle sostanze disciolte?

Nel corso degli anni, molti hanno cercato di svelare il mistero dell'acqua gelata. Sono state proposte molte spiegazioni per questo fenomeno: evaporazione, convezione, l'influenza dei soluti, ma nessuno di questi fattori può essere considerato definitivo. Numerosi scienziati hanno dedicato la loro intera vita all'effetto Mpemba. Dipendente del Dipartimento di Radioprotezione Università Statale New York - James Brownridge - a tempo libero studia il paradosso da oltre un decennio. Dopo aver condotto centinaia di esperimenti, lo scienziato afferma di avere prove della "colpa" dell'ipotermia. Brownridge spiega che a 0°C, l'acqua si raffredda e inizia a congelare quando la temperatura scende al di sotto. Il punto di congelamento è regolato dalle impurità nell'acqua: cambiano la velocità di formazione dei cristalli di ghiaccio. Le impurità, e queste sono particelle di polvere, batteri e sali disciolti, hanno la loro caratteristica temperatura di nucleazione, quando i cristalli di ghiaccio si formano attorno ai centri di cristallizzazione. Quando nell'acqua sono presenti più elementi contemporaneamente, il punto di congelamento è determinato da quello con la temperatura di nucleazione più alta.

Per l'esperimento, Brownridge ha prelevato due campioni di acqua alla stessa temperatura e li ha posti in un congelatore. Ha scoperto che uno degli esemplari si congela sempre prima dell'altro, presumibilmente a causa di una diversa combinazione di impurità.

Brownridge afferma che l'acqua calda si raffredda più velocemente a causa della maggiore differenza tra la temperatura dell'acqua e quella del congelatore: questo la aiuta a raggiungere il punto di congelamento prima acqua fredda raggiunge il suo punto di congelamento naturale, che è di almeno 5°C inferiore.

Tuttavia, il ragionamento di Brownridge solleva molte domande. Pertanto, coloro che possono spiegare l'effetto Mpemba a modo loro hanno la possibilità di competere per mille sterline dalla Royal Society of Chemistry britannica.

Effetto Mpemba(Il paradosso di Mpemba) è un paradosso che afferma che l'acqua calda in determinate condizioni si congela più velocemente dell'acqua fredda, sebbene nel processo di congelamento debba superare la temperatura dell'acqua fredda. Questo paradosso è un fatto sperimentale che contraddice le idee abituali, secondo cui, nelle stesse condizioni, un corpo più caldo ha bisogno di più tempo per raffreddarsi a una certa temperatura di un corpo più freddo per raffreddarsi alla stessa temperatura.

Questo fenomeno fu notato all'epoca da Aristotele, Francis Bacon e René Descartes, ma solo nel 1963 lo scolaro tanzaniano Erasto Mpemba scoprì che una miscela di gelato calda si congela più velocemente di una fredda.

Come studente del Magamba Scuola superiore in Tanzania lo fece Erasto Mpemba lavoro pratico nelle arti culinarie. Doveva fare il gelato fatto in casa: far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo in frigorifero a congelare. Apparentemente, Mpemba non era uno studente particolarmente diligente e procrastinava nella prima parte dell'incarico. Temendo di non essere in tempo alla fine della lezione, mise in frigorifero il latte ancora caldo. Con sua sorpresa, gelò anche prima del latte dei suoi compagni, preparato secondo una determinata tecnologia.

Successivamente, Mpemba ha sperimentato non solo con il latte, ma anche con l'acqua naturale. In ogni caso, già studente della Mkwawa High School, ha chiesto dell'acqua al professor Dennis Osborne dell'University College di Dar es Salaam (invitato dal direttore della scuola a tenere una lezione di fisica agli studenti): "Se prendi due contenitori identici con uguali volumi d'acqua in modo che in uno di essi l'acqua abbia una temperatura di 35 ° C e nell'altro - 100 ° C e mettili nel congelatore, quindi nel secondo l'acqua si congelerà più velocemente. Come mai? Osborne si interessò a questo problema e presto nel 1969, insieme a Mpemba, pubblicarono i risultati dei loro esperimenti sulla rivista "Physics Education". Da allora, si chiama l'effetto che hanno scoperto Effetto Mpemba.

Finora nessuno sa esattamente come spiegare questo strano effetto. Gli scienziati non hanno una sola versione, anche se ce ne sono molte. Riguarda la differenza nelle proprietà dell'acqua calda e fredda, ma non è ancora chiaro quali proprietà svolgano un ruolo in questo caso: la differenza di superraffreddamento, evaporazione, formazione di ghiaccio, convezione o l'effetto dei gas liquefatti sull'acqua a diverse temperature.

Il paradosso dell'effetto Mpemba è che il tempo durante il quale il corpo si raffredda alla temperatura ambiente, dovrebbe essere proporzionale alla differenza di temperatura tra questo corpo e l'ambiente. Questa legge è stata stabilita da Newton e da allora è stata confermata molte volte nella pratica. Nello stesso effetto, l'acqua a 100°C si raffredda fino a 0°C più velocemente della stessa quantità di acqua a 35°C.

Tuttavia, questo non implica ancora un paradosso, poiché l'effetto Mpemba può essere spiegato anche all'interno della fisica nota. Ecco alcune spiegazioni per l'effetto Mpemba:

Evaporazione

L'acqua calda evapora più velocemente dal contenitore, riducendo così il suo volume, e un volume d'acqua più piccolo con la stessa temperatura si congela più velocemente. L'acqua riscaldata a 100°C perde il 16% della sua massa quando viene raffreddata a 0°C.

L'effetto di evaporazione è un doppio effetto. In primo luogo, viene ridotta la massa d'acqua necessaria per il raffreddamento. E in secondo luogo, la temperatura diminuisce a causa del fatto che il calore di evaporazione del passaggio dalla fase acquosa alla fase vapore diminuisce.

differenza di temperatura

A causa del fatto che la differenza di temperatura tra l'acqua calda e l'aria fredda è maggiore, quindi lo scambio di calore in questo caso è più intenso e l'acqua calda si raffredda più velocemente.

ipotermia

Quando l'acqua viene raffreddata al di sotto di 0 C, non sempre si congela. In determinate condizioni, può subire un superraffreddamento pur continuando a rimanere liquido a temperature inferiori al punto di congelamento. In alcuni casi, l'acqua può rimanere liquida anche a -20°C.

La ragione di questo effetto è che affinché i primi cristalli di ghiaccio inizino a formarsi, sono necessari centri di formazione dei cristalli. Se non sono in acqua liquida, il superraffreddamento continuerà fino a quando la temperatura non scende abbastanza da consentire la formazione spontanea di cristalli. Quando inizieranno a formarsi nel liquido superraffreddato, inizieranno a crescere più velocemente, formando una granita di ghiaccio che si congelerà per formare ghiaccio.

L'acqua calda è più suscettibile all'ipotermia perché riscaldandola elimina i gas disciolti e le bolle, che a loro volta possono fungere da centri per la formazione di cristalli di ghiaccio.

Perché l'ipotermia fa congelare l'acqua calda più velocemente? Nel caso di acqua fredda, non superraffreddata, si verifica quanto segue. In questo caso, sulla superficie della nave si formerà un sottile strato di ghiaccio. Questo strato di ghiaccio fungerà da isolante tra l'acqua e l'aria fredda e impedirà un'ulteriore evaporazione. La velocità di formazione dei cristalli di ghiaccio in questo caso sarà inferiore. Nel caso di acqua calda sottoposta a sottoraffreddamento, l'acqua sottoraffreddata non presenta uno strato protettivo superficiale di ghiaccio. Pertanto, perde calore molto più velocemente attraverso la parte superiore aperta.

Quando il processo di superraffreddamento termina e l'acqua si congela, si perde molto più calore e quindi si forma più ghiaccio.

Molti ricercatori di questo effetto considerano l'ipotermia il fattore principale nel caso dell'effetto Mpemba.

Convezione

L'acqua fredda inizia a congelare dall'alto, peggiorando così i processi di irraggiamento e convezione del calore, e quindi la perdita di calore, mentre l'acqua calda inizia a congelare dal basso.

Questo effetto è spiegato da un'anomalia nella densità dell'acqua. L'acqua ha una densità massima a 4 C. Se si raffredda l'acqua a 4 C e la si mette a una temperatura più bassa, lo strato superficiale dell'acqua si congelerà più velocemente. Poiché quest'acqua è meno densa dell'acqua a 4°C, rimarrà in superficie, formando un sottile strato freddo. In queste condizioni, sulla superficie dell'acqua si formerà per un breve periodo un sottile strato di ghiaccio, ma questo strato di ghiaccio fungerà da isolante proteggendo gli strati inferiori dell'acqua, che rimarranno ad una temperatura di 4 C. Pertanto , l'ulteriore raffreddamento sarà più lento.

Nel caso dell'acqua calda, la situazione è completamente diversa. Lo strato superficiale dell'acqua si raffredderà più rapidamente a causa dell'evaporazione e di una maggiore differenza di temperatura. Inoltre, gli strati di acqua fredda sono più densi degli strati di acqua calda, quindi lo strato di acqua fredda affonderà, sollevando lo strato di acqua calda in superficie. Questa circolazione d'acqua assicura un rapido abbassamento della temperatura.

Ma perché questo processo non raggiunge il punto di equilibrio? Per spiegare l'effetto Mpemba da questo punto di vista della convezione, sarebbe necessario assumere che gli strati d'acqua fredda e calda siano separati e che il processo di convezione stesso continui dopo che la temperatura media dell'acqua scende al di sotto di 4 C.

Tuttavia, non ci sono prove sperimentali a sostegno di questa ipotesi che gli strati di acqua fredda e calda siano separati per convezione.

gas disciolti in acqua

L'acqua contiene sempre gas disciolti in essa - ossigeno e diossido di carbonio. Questi gas hanno la capacità di abbassare il punto di congelamento dell'acqua. Quando l'acqua viene riscaldata, questi gas vengono rilasciati dall'acqua perché la loro solubilità in acqua ad alta temperatura è inferiore. Pertanto, quando l'acqua calda viene raffreddata, ci sono sempre meno gas disciolti in essa rispetto all'acqua fredda non riscaldata. Pertanto, il punto di congelamento dell'acqua riscaldata è più alto e si congela più velocemente. Questo fattore è talvolta considerato come il principale nella spiegazione dell'effetto Mpemba, sebbene non ci siano dati sperimentali che lo confermino.

Conduttività termica

Questo meccanismo può svolgere un ruolo significativo quando l'acqua viene collocata in un frigorifero congelatore in piccoli contenitori. In queste condizioni è stato osservato che il contenitore con acqua calda scioglie il ghiaccio del congelatore sottostante, migliorando così il contatto termico con la parete del congelatore e la conducibilità termica. Di conseguenza, il calore viene rimosso dal contenitore dell'acqua calda più velocemente che da quello freddo. A sua volta, il contenitore con acqua fredda non scioglie la neve sotto di esso.

Tutte queste (così come altre) condizioni sono state studiate in molti esperimenti, ma non è stata ottenuta una risposta univoca alla domanda - quale di esse fornisce una riproduzione del 100% dell'effetto Mpemba - non è stata ottenuta.

Così, ad esempio, nel 1995, il fisico tedesco David Auerbach ha studiato l'influenza del superraffreddamento dell'acqua su questo effetto. Scoprì che l'acqua calda, raggiungendo uno stato superraffreddato, congela a una temperatura più alta dell'acqua fredda, e quindi più veloce di quest'ultima. Ma l'acqua fredda raggiunge lo stato superraffreddato più velocemente dell'acqua calda, compensando così il ritardo precedente.

Inoltre, i risultati di Auerbach contraddicevano i dati precedenti secondo cui l'acqua calda è in grado di ottenere un maggiore superraffreddamento grazie a un minor numero di centri di cristallizzazione. Quando l'acqua viene riscaldata, i gas disciolti in essa vengono rimossi da essa e quando viene bollita precipitano alcuni sali disciolti in essa.

Finora si può affermare solo una cosa: la riproduzione di questo effetto dipende essenzialmente dalle condizioni in cui viene condotto l'esperimento. Proprio perché non sempre viene riprodotto.

Internet marketer, editore del sito "In un linguaggio accessibile"
Data di pubblicazione: 21/11/2017

« Quale acqua congela più velocemente, fredda o calda?"- prova a fare una domanda ai tuoi amici, molto probabilmente la maggior parte di loro risponderà che l'acqua fredda si congela più velocemente - e commetterà un errore.

Infatti, se metti contemporaneamente nel congelatore due recipienti della stessa forma e volume, uno dei quali conterrà acqua fredda e l'altro caldo, l'acqua calda si congelerà più velocemente.

Una simile affermazione può sembrare assurda e irragionevole. Logicamente, l'acqua calda deve prima raffreddarsi a temperatura fredda e l'acqua fredda dovrebbe già trasformarsi in ghiaccio in questo momento.

Allora perché l'acqua calda supera l'acqua fredda sulla strada per il congelamento? Proviamo a capirlo.

Storia delle osservazioni e della ricerca

La gente ha osservato l'effetto paradossale fin dai tempi antichi, ma nessuno gli ha attribuito molta importanza. Pertanto, nelle loro note di Arestotel, nonché di Rene Descartes e Francis Bacon, sono state notate incongruenze nel tasso di congelamento dell'acqua fredda e calda. Un fenomeno insolito si manifestava spesso nella vita di tutti i giorni.

Per molto tempo il fenomeno non è stato studiato in alcun modo e non ha suscitato molto interesse tra gli scienziati.

Lo studio dell'effetto insolito iniziò nel 1963, quando uno studente curioso della Tanzania, Erasto Mpemba, notò che il latte caldo per il gelato si congela più velocemente del latte freddo. Sperando di ottenere una spiegazione delle ragioni dell'insolito effetto, il giovane ha chiesto al suo insegnante di fisica a scuola. Tuttavia, l'insegnante si è limitato a ridere di lui.

In seguito Mpemba ripeté l'esperimento, ma nel suo esperimento non usò più latte, ma acqua, e l'effetto paradossale si ripeté ancora.

Sei anni dopo, nel 1969, Mpemba fece questa domanda al professore di fisica Dennis Osborne, che venne nella sua scuola. Il professore era interessato all'osservazione del giovane, di conseguenza è stato condotto un esperimento che ha confermato la presenza dell'effetto, ma le ragioni di questo fenomeno non sono state stabilite.

Da allora, il fenomeno è stato chiamato Effetto Mpemba.

Nella storia delle osservazioni scientifiche sono state avanzate molte ipotesi sulle cause del fenomeno.

Così nel 2012, la British Royal Society of Chemistry avrebbe annunciato un concorso di ipotesi per spiegare l'effetto Mpemba. Al concorso hanno partecipato scienziati provenienti da tutto il mondo, in totale ne sono stati iscritti 22.000 opere scientifiche. Nonostante un numero così impressionante di articoli, nessuno di essi ha chiarito il paradosso di Mpemba.

La più comune era la versione secondo la quale l'acqua calda si congela più velocemente, poiché semplicemente evapora più velocemente, il suo volume si riduce e al diminuire del volume aumenta la sua velocità di raffreddamento. La versione più comune è stata infine confutata poiché è stato condotto un esperimento in cui è stata esclusa l'evaporazione, ma l'effetto è stato comunque confermato.

Altri scienziati credevano che la ragione dell'effetto Mpemba fosse l'evaporazione dei gas disciolti nell'acqua. A loro avviso, durante il processo di riscaldamento, i gas disciolti nell'acqua evaporano, per cui acquisiscono una densità maggiore dell'acqua fredda. Come è noto, un aumento della densità porta a un cambiamento Proprietà fisiche acqua (aumento della conducibilità termica) e quindi aumentare la velocità di raffreddamento.

Inoltre, sono state avanzate alcune ipotesi che descrivono la velocità di circolazione dell'acqua in funzione della temperatura. In molti studi si è cercato di stabilire la relazione tra il materiale dei contenitori in cui si trovava il liquido. Molte teorie sembravano molto plausibili, ma non potevano essere scientificamente confermate a causa della mancanza di dati iniziali, delle contraddizioni in altri esperimenti o del fatto che i fattori identificati semplicemente non erano paragonabili alla velocità di raffreddamento dell'acqua. Alcuni scienziati nei loro lavori hanno messo in dubbio l'esistenza dell'effetto.

Nel 2013 i ricercatori di Università della Tecnologia Nanyang a Singapore ha affermato di aver risolto il mistero dell'effetto Mpemba. Secondo il loro studio, la ragione del fenomeno risiede nel fatto che la quantità di energia immagazzinata nei legami idrogeno tra le molecole di acqua fredda e calda differisce in modo significativo.

I metodi di simulazione al computer hanno mostrato i seguenti risultati: maggiore è la temperatura dell'acqua, maggiore è la distanza tra le molecole a causa del fatto che le forze repulsive aumentano. Di conseguenza, i legami idrogeno delle molecole vengono allungati, immagazzinando più energia. Una volta raffreddate, le molecole iniziano ad avvicinarsi l'una all'altra, liberando energia dai legami idrogeno. In questo caso, il rilascio di energia è accompagnato da una diminuzione della temperatura.

Nell'ottobre 2017, i fisici spagnoli, nel corso di un altro studio, hanno scoperto che è la rimozione della materia dall'equilibrio (forte riscaldamento prima del forte raffreddamento) che gioca un ruolo importante nella formazione dell'effetto. Hanno determinato le condizioni in cui la probabilità dell'effetto è massima. Inoltre, scienziati spagnoli hanno confermato l'esistenza dell'effetto Mpemba inverso. Hanno scoperto che una volta riscaldato, può raggiungere un campione più freddo alta temperatura più veloce che caldo.

Nonostante le informazioni esaustive e i numerosi esperimenti, gli scienziati intendono continuare a studiarne l'effetto.

Effetto Mpemba nella vita reale

Vi siete mai chiesti perché in inverno la pista di pattinaggio si riempie di acqua calda e non fredda? Come hai già capito, lo fanno perché una pista di pattinaggio piena di acqua calda si congelerà più velocemente che se fosse riempita di acqua fredda. Per lo stesso motivo, gli scivoli nelle città di ghiaccio invernali vengono versati con acqua calda.

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

Inoltre, l'effetto Mpemba è talvolta utilizzato nell'industria per ridurre il tempo di congelamento di prodotti, sostanze e materiali contenenti acqua.

Ciao cari amanti fatti interessanti. Oggi ne parleremo. Ma penso che la domanda posta nel titolo possa sembrare semplicemente assurda, ma ci si dovrebbe sempre fidare indivisamente del famigerato "buon senso", e non di un'esperienza di test rigorosamente impostata. Proviamo a capire perché l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda?

Riferimento storico

Che nella questione dell'acqua fredda e calda gelata "non tutto è puro" è stato menzionato nelle opere di Aristotele, poi note simili sono state fatte da F. Bacon, R. Descartes e J. Black. IN storia recente A questo effetto è stato dato il nome di "Mpemba paradox" - dal nome di uno scolaro del Tanganica, Erasto Mpemba, che fece la stessa domanda a un professore di fisica in visita.

La domanda del ragazzo non è nata da zero, ma da osservazioni puramente personali sul processo di raffreddamento delle miscele di gelato in cucina. Certo, i compagni di classe che erano lì presenti, insieme al maestro di scuola, hanno riso di Mpemba - tuttavia, dopo un controllo sperimentale da parte del professor D. Osborne in persona, il desiderio di prendere in giro Erasto è "evaporato" da loro. Inoltre, Mpemba, insieme al professore, pubblicò una descrizione dettagliata di questo effetto in Educazione Fisica nel 1969 - e da allora il nome sopra è stato inserito nella letteratura scientifica.

Qual è l'essenza del fenomeno?

La configurazione dell'esperimento è abbastanza semplice: a parità di altre condizioni, vengono testati recipienti identici a pareti sottili, in cui ci sono quantità d'acqua rigorosamente uguali, che differiscono solo per la temperatura. Le navi vengono caricate nel frigorifero, dopodiché viene registrato il tempo prima della formazione di ghiaccio in ciascuna di esse. Il paradosso è che in un recipiente con un liquido inizialmente più caldo, questo accade più velocemente.

Come lo spiega la fisica moderna?

Il paradosso non ha una spiegazione universale, poiché diverse processi paralleli, il cui contributo può differire da quello specifico condizioni iniziali- ma con lo stesso risultato:

• la capacità di un liquido di superraffreddarsi: l'acqua inizialmente fredda è più soggetta all'ipotermia, ad es. rimane liquido quando la sua temperatura è già al di sotto del punto di congelamento
• raffreddamento accelerato: il vapore dell'acqua calda si trasforma in microcristalli di ghiaccio che, quando ricadono, accelerano il processo, fungendo da "scambiatore di calore esterno" aggiuntivo
• effetto di isolamento - a differenza dell'acqua calda, l'acqua fredda si congela dall'alto, il che porta a una diminuzione del trasferimento di calore per convezione e irraggiamento

Ci sono una serie di altre spiegazioni (l'ultima volta che la competizione per la migliore ipotesi è stata organizzata dalla Royal Society of Chemistry britannica di recente, nel 2012) - ma non esiste ancora una teoria univoca per tutti i casi di combinazioni di condizioni di input ...

Quale acqua si congela più velocemente, calda o fredda, è influenzata da molti fattori, ma la domanda stessa sembra un po' strana. È implicito, ed è noto dalla fisica, che l'acqua calda ha ancora bisogno di tempo per raffreddarsi alla temperatura di un'acqua fredda comparabile per trasformarsi in ghiaccio. questa fase può essere saltata e, di conseguenza, vince in tempo.

Ma la risposta alla domanda su quale acqua si congela più velocemente - fredda o calda - sulla strada nel gelo, lo sa qualsiasi abitante delle latitudini settentrionali. In effetti, scientificamente, risulta che in ogni caso l'acqua fredda deve semplicemente congelare più velocemente.

Così ha fatto l'insegnante di fisica, che nel 1963 è stato avvicinato dallo scolaro Erasto Mpemba con la richiesta di spiegare perché la miscela fredda del futuro gelato si congela più a lungo di una simile, ma calda.

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

A quel tempo, l'insegnante rideva solo di questo, ma Deniss Osborne, un professore di fisica, che un tempo frequentava la stessa scuola dove studiava Erasto, confermò sperimentalmente l'esistenza di un tale effetto, sebbene allora non vi fosse alcuna spiegazione per questo . Nel 1969, nel popolare giornale scientifico pubblicò un articolo congiunto di queste due persone che descrissero questo peculiare effetto.

Da allora, a proposito, la questione di quale acqua si congela più velocemente - calda o fredda, ha il suo nome - l'effetto, o paradosso, Mpemba.

La domanda è in giro da molto tempo

Naturalmente, un tale fenomeno si è già verificato in precedenza ed è stato menzionato nei lavori di altri scienziati. Non solo lo scolaro era interessato a questa domanda, ma René Descartes e persino Aristotele ci hanno pensato una volta.

Ecco solo approcci per risolvere questo paradosso iniziato a guardare solo alla fine del XX secolo.

Condizioni perché si verifichi un paradosso

Come con il gelato, non è solo la normale acqua che si congela durante l'esperimento. Devono essere presenti determinate condizioni per iniziare a discutere quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda. Cosa influenza questo processo?

Ora, nel 21° secolo, sono state avanzate diverse opzioni che possono spiegare questo paradosso. Quale acqua si congela più velocemente, calda o fredda, può dipendere dal fatto che ha un tasso di evaporazione maggiore rispetto all'acqua fredda. Pertanto, il suo volume diminuisce e, con una diminuzione del volume, il tempo di congelamento diventa più breve che se prendiamo un volume iniziale simile di acqua fredda.

Il congelatore è stato a lungo sbrinato

Quale acqua si congela più velocemente, e perché lo fa, può essere influenzata dal rivestimento di neve che potrebbe essere presente nel congelatore del frigorifero utilizzato per l'esperimento. Se si prendono due contenitori identici nel volume, ma uno di essi avrà acqua calda e l'altro acqua fredda, il contenitore con acqua calda scioglierà la neve sotto di esso, migliorando così il contatto del livello termico con la parete del frigorifero. Un contenitore di acqua fredda non può farlo. Se non c'è un tale rivestimento con la neve nel frigorifero, l'acqua fredda dovrebbe congelare più velocemente.

Alto - basso

Inoltre, il fenomeno per cui l'acqua si congela più velocemente, calda o fredda, è spiegato come segue. Seguendo alcune leggi, l'acqua fredda inizia a congelare dagli strati superiori, quando l'acqua calda fa il contrario, inizia a congelare dal basso verso l'alto. Si scopre che l'acqua fredda, avendo uno strato freddo sopra con ghiaccio già formato in alcuni punti, compromette così i processi di convezione e radiazione termica, spiegando così quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda. È allegata una foto di esperimenti amatoriali, e qui è chiaramente visibile.

Il calore si spegne, tendendo verso l'alto, e lì incontra uno strato molto freddo. Non c'è un percorso libero per la radiazione di calore, quindi il processo di raffreddamento diventa difficile. L'acqua calda non ha assolutamente tali barriere sul suo cammino. Che si congela più velocemente - freddo o caldo, da cui dipende il probabile esito, puoi ampliare la risposta dicendo che qualsiasi acqua ha determinate sostanze disciolte al suo interno.

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

Se non imbroglia e usi acqua con la stessa composizione, in cui le concentrazioni di determinate sostanze sono identiche, l'acqua fredda dovrebbe congelare più velocemente. Ma se si verifica una situazione in cui il dissolto elementi chimici disponibile solo in acqua calda, mentre l'acqua fredda non li ha, quindi c'è la possibilità che l'acqua calda si congeli prima. Ciò è spiegato dal fatto che le sostanze disciolte nell'acqua creano centri di cristallizzazione e, con un piccolo numero di questi centri, la trasformazione dell'acqua in uno stato solido è difficile. Anche il superraffreddamento dell'acqua è possibile, nel senso che a temperature sotto lo zero sarà allo stato liquido.

Ma tutte queste versioni, a quanto pare, non si sono adattate agli scienziati fino alla fine e hanno continuato a lavorare su questo problema. Nel 2013, un team di ricercatori di Singapore ha affermato di aver risolto l'antico mistero.

Un gruppo di scienziati cinesi afferma che il segreto di questo effetto risiede nella quantità di energia immagazzinata tra le molecole d'acqua nei suoi legami, chiamati legami a idrogeno.

La risposta degli scienziati cinesi

Seguiranno ulteriori informazioni, per la comprensione delle quali è necessario avere alcune conoscenze di chimica per capire quale acqua si congela più velocemente: calda o fredda. Come sapete, è costituito da due atomi di H (idrogeno) e un atomo di O (ossigeno) tenuti insieme da legami covalenti.

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

Allo stesso tempo, vale la pena ricordare che allo stesso tempo le molecole d'acqua agiscono in modo repulsivo l'una sull'altra. Gli scienziati hanno notato che quando l'acqua viene riscaldata, la distanza tra le sue molecole aumenta e ciò è facilitato dalle forze repulsive. Si scopre che occupando una distanza tra le molecole allo stato freddo, si può dire che si allungano e hanno una maggiore fornitura di energia. È questa riserva di energia che viene rilasciata quando le molecole d'acqua iniziano ad avvicinarsi l'una all'altra, cioè si verifica il raffreddamento. Si scopre che una maggiore fornitura di energia nell'acqua calda, e il suo maggiore rilascio quando viene raffreddata a temperature inferiori allo zero, si verifica più velocemente che nell'acqua fredda, che ha una fornitura minore di tale energia. Quindi quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda? Per strada e in laboratorio dovrebbe verificarsi il paradosso di Mpemba e l'acqua calda dovrebbe trasformarsi in ghiaccio più velocemente.

Ma la questione è ancora aperta

C'è solo una conferma teorica di questo indizio: tutto questo è scritto in bellissime formule e sembra plausibile. Ma quando i dati sperimentali, che l'acqua gela più velocemente, calda o fredda, saranno messi in senso pratico e saranno presentati i loro risultati, allora sarà possibile considerare chiusa la questione del paradosso di Mpemba.