Perché l'acqua calda si raffredda più velocemente dell'acqua fredda? Effetto Mpemba o perché l'acqua calda gela più velocemente dell'acqua fredda? Ma ecco cosa ho

Nel 1963, uno scolaro della Tanzania di nome Erasto Mpemba fece al suo insegnante una domanda stupida: perché il gelato caldo si congelava più velocemente del gelato freddo nel suo congelatore?

Erasto Mpemba era uno studente della Magambin High School in Tanzania, svolgendo un lavoro pratico di cucina. Doveva fare il gelato fatto in casa: far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo in frigorifero per congelarlo. 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.

Si è rivolto all'insegnante di fisica per chiarimenti, ma si è limitato a ridere dello studente, dicendo quanto segue: "Questa non è la fisica del mondo, ma la fisica di Mpemba". Successivamente, Mpemba ha sperimentato non solo il latte, ma anche l'acqua normale.

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 volumi d'acqua uguali in modo che in uno di essi l'acqua abbia una temperatura di 35 ° C e nell'altro - 100 ° C e li metti nel congelatore, quindi nel secondo l'acqua si congelerà Più veloce. Come mai?" Osborn si interessò a questo problema e presto nel 1969, insieme a Mpemba, pubblicarono i risultati dei loro esperimenti sulla rivista Physics Education. Da allora, l'effetto che hanno scoperto è chiamato effetto Mpemba.

Siete curiosi di sapere perché questo accade? Solo pochi anni fa, gli scienziati sono riusciti a spiegare questo fenomeno ...

L'effetto Mpemba (Mpemba Paradox) 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. 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 giochino un ruolo in questo caso: la differenza nel 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 deve 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.

Da allora sono state espresse diverse versioni, una delle quali era la seguente: parte dell'acqua calda semplicemente evapora dapprima e poi, quando rimane una quantità minore, l'acqua solidifica più velocemente. Questa versione, grazie alla sua semplicità, è diventata la più popolare, ma gli scienziati non erano completamente soddisfatti.

Ora un team di ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore, guidato dal chimico Xi Zhang, afferma di aver risolto l'annoso mistero del motivo per cui l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Come hanno scoperto gli esperti cinesi, il segreto sta nella quantità di energia immagazzinata nei legami idrogeno tra le molecole d'acqua.

Come sapete, le molecole d'acqua sono costituite da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno tenuti insieme da legami covalenti, che a livello di particelle sembrano uno scambio di elettroni. Un altro fatto noto è che gli atomi di idrogeno sono attratti dagli atomi di ossigeno dalle molecole vicine: in questo caso si formano legami idrogeno.

Allo stesso tempo, le molecole d'acqua nel loro insieme si respingono. Gli scienziati di Singapore hanno notato che più calda è l'acqua, maggiore è la distanza tra le molecole del liquido a causa dell'aumento delle forze repulsive. Di conseguenza, i legami idrogeno si allungano e quindi immagazzinano più energia. Questa energia viene rilasciata quando l'acqua si raffredda: le molecole si avvicinano l'una all'altra. E il ritorno di energia, come sai, significa raffreddamento.

Ecco le ipotesi avanzate dagli scienziati:

Evaporazione

L'acqua calda evapora più velocemente dal contenitore, riducendone così il 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, a causa dell'evaporazione, la sua temperatura diminuisce.

differenza di temperatura

A causa del fatto che la differenza di temperatura tra l'acqua calda e l'aria fredda è maggiore, quindi, il trasferimento 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 gela. 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 far sì che i cristalli inizino a formarsi spontaneamente. 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, succede che sulla sua superficie si forma un sottile strato di ghiaccio che funge da isolante tra l'acqua e l'aria fredda, impedendo così 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 colloca in un ambiente con 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 si formerà per breve tempo un sottile strato di ghiaccio sulla superficie dell'acqua, ma questo strato di ghiaccio fungerà da isolante proteggendo gli strati d'acqua inferiori, che rimarranno a 4°C. Pertanto, l'ulteriore processo di 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 delle maggiori differenze 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 dal punto di vista della convezione, si dovrebbe supporre 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 anidride carbonica. 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 uno 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 in modo significativo dalle condizioni in cui viene eseguito l'esperimento. Proprio perché non sempre viene riprodotto.

Ed ecco il motivo più probabile.

Come scrivono i chimici nel loro articolo, che può essere trovato sul sito di preprint arXiv.org, i legami idrogeno sono tesi più fortemente nell'acqua calda che nell'acqua fredda. Pertanto, si scopre che più energia viene immagazzinata nei legami idrogeno dell'acqua calda, il che significa che più di essa viene rilasciata quando viene raffreddata a temperature inferiori allo zero. Per questo motivo, il congelamento è più veloce.

Ad oggi, gli scienziati hanno risolto questo enigma solo in teoria. Quando presentano prove convincenti della loro versione, la domanda sul perché l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda può essere considerata chiusa.

Ciao, cari amanti dei 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 gelida e calda "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. Nella storia recente è stato attribuito a questo effetto il nome “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, ha pubblicato una descrizione dettagliata di questo effetto nel 1969 in Educazione fisica - e da allora il nome sopra è stato fissato 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 diversi processi paralleli procedono insieme, il cui contributo può differire da specifiche condizioni iniziali - ma con un risultato uniforme:

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 ...

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.

Successivamente, Mpemba ha sperimentato non solo il latte, ma anche l'acqua normale. 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 giochino un ruolo in questo caso: la differenza nel 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 deve 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'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 far sì che i cristalli inizino a formarsi spontaneamente. 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

Conduttività termica

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.

Molti ricercatori hanno avanzato e stanno proponendo le proprie versioni sul motivo per cui l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Sembrerebbe un paradosso: dopotutto, per congelare, l'acqua calda deve prima raffreddarsi. Tuttavia, il fatto rimane e gli scienziati lo spiegano in modi diversi.

Al momento, ci sono diverse versioni che spiegano questo fatto:

Poiché l'evaporazione in acqua calda è più veloce, il suo volume diminuisce. Una quantità minore di acqua della stessa temperatura si congela più velocemente.
Lo scomparto congelatore del frigorifero ha un rivestimento per la neve. Un contenitore contenente acqua calda scioglie la neve sottostante. Ciò migliora il contatto termico con il congelatore.
Il congelamento dell'acqua fredda, a differenza di quella calda, inizia dall'alto. In questo caso peggiorano la convezione e l'irraggiamento termico e, di conseguenza, la dispersione termica.
Nell'acqua fredda ci sono centri di cristallizzazione - sostanze disciolte in essa. Con il loro piccolo contenuto in acqua, la glassa è difficile, anche se allo stesso tempo è possibile superraffreddarla, quando è allo stato liquido a temperature inferiori allo zero.

Anche se in tutta onestà si può affermare che questo effetto non è sempre osservato. L'acqua fredda spesso si congela più velocemente dell'acqua calda.

A che temperatura si congela l'acqua

Perché l'acqua si congela? Contiene una certa quantità di particelle minerali o organiche. Queste, ad esempio, possono essere particelle finissime di sabbia, polvere o argilla. Quando la temperatura dell'aria scende, queste particelle diventano centri attorno ai quali si formano i cristalli di ghiaccio.

Il ruolo dei nuclei di cristallizzazione può essere svolto anche da bolle d'aria e crepe in un contenitore contenente acqua. La velocità del processo di trasformazione dell'acqua in ghiaccio è ampiamente influenzata dal numero di tali centri: se ce ne sono molti, il liquido si congela più velocemente. In condizioni normali, con normale pressione atmosferica, l'acqua passa allo stato solido da liquido a una temperatura di 0 gradi.

L'essenza dell'effetto Mpemba

L'effetto Mpemba è inteso come un paradosso, la cui essenza è che, in determinate circostanze, l'acqua calda gela più velocemente dell'acqua fredda. Questo fenomeno è stato notato da Aristotele e Cartesio. Tuttavia, fu solo nel 1963 che Erasto Mpemba, uno scolaro della Tanzania, stabilì che il gelato caldo si congela in un tempo più breve rispetto al gelato freddo. Ha fatto una tale conclusione mentre svolgeva il compito di cucinare.

Doveva sciogliere lo zucchero nel latte bollito e, dopo averlo fatto raffreddare, metterlo in frigorifero a congelare. Apparentemente, Mpemba non differiva in particolare diligenza e iniziò a svolgere la prima parte del compito in ritardo. Pertanto, non ha aspettato che il latte si raffreddasse e lo ha messo in frigorifero caldo. È rimasto molto sorpreso quando si è bloccato ancora più velocemente di quello dei suoi compagni di classe, che hanno svolto il lavoro in conformità con la tecnologia data.

Questo fatto interessava molto il giovane e iniziò gli esperimenti con l'acqua naturale. Nel 1969, la rivista Physics Education ha pubblicato i risultati della ricerca di Mpemba e del professor Dennis Osborn dell'Università di Dar es Salaam. L'effetto che hanno descritto è stato chiamato Mpemba. Tuttavia, ancora oggi non c'è una chiara spiegazione del fenomeno. Tutti gli scienziati concordano sul fatto che il ruolo principale in questo appartiene alle differenze nelle proprietà dell'acqua refrigerata e calda, ma cosa esattamente non si sa.

Versione Singapore

Anche i fisici di una delle università di Singapore erano interessati alla domanda: quale acqua si congela più velocemente: calda o fredda? Un team di ricercatori guidato da Xi Zhang ha spiegato questo paradosso proprio attraverso le proprietà dell'acqua. Tutti conoscono ancora la composizione dell'acqua della scuola: un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. L'ossigeno in una certa misura attira elettroni dall'idrogeno, quindi la molecola è una specie di "magnete".

Di conseguenza, alcune molecole nell'acqua sono leggermente attratte l'una dall'altra e sono unite da un legame idrogeno. La sua forza è molte volte inferiore al legame covalente. I ricercatori di Singapore ritengono che la spiegazione del paradosso di Mpemba risieda proprio nei legami idrogeno. Se le molecole d'acqua sono poste molto vicine tra loro, un'interazione così forte tra le molecole può deformare il legame covalente nel mezzo della molecola stessa.

Ma quando l'acqua viene riscaldata, le molecole legate si allontanano leggermente l'una dall'altra. Di conseguenza, il rilassamento dei legami covalenti si verifica nel mezzo delle molecole con il ritorno dell'energia in eccesso e il passaggio al livello di energia più basso. Ciò porta al fatto che l'acqua calda inizia a raffreddarsi rapidamente. Almeno, questo è ciò che dimostrano i calcoli teorici effettuati dagli scienziati di Singapore.

Congelamento istantaneo dell'acqua - 5 incredibili trucchi: video

La chimica era una delle mie materie preferite a scuola. Una volta un insegnante di chimica ci ha affidato un compito molto strano e difficile. Ci ha fornito un elenco di domande a cui dovevamo rispondere in termini di chimica. Ci sono stati concessi diversi giorni per questo compito e ci è stato permesso di utilizzare le biblioteche e altre fonti di informazioni disponibili. Una di queste domande riguardava il punto di congelamento dell'acqua. Non ricordo esattamente come suonava la domanda, ma riguardava il fatto che se prendi due secchi di legno della stessa dimensione, uno con acqua calda, l'altro con acqua fredda (alla temperatura esattamente specificata), e li metti in un ambiente con una certa temperatura, quale geleranno più velocemente? Naturalmente, la risposta si è subito suggerita: un secchio di acqua fredda, ma ci è sembrato troppo semplice. Ma questo non bastava per dare una risposta completa, bisognava dimostrarlo da un punto di vista chimico. Nonostante tutto il mio pensiero e la mia ricerca, non riuscivo a trarre una conclusione logica. In questo giorno, ho persino deciso di saltare questa lezione, quindi non ho mai scoperto la soluzione a questo indovinello.

Passarono gli anni e imparai molti miti quotidiani sul punto di ebollizione e sul punto di congelamento dell'acqua, e un mito diceva: "l'acqua calda si congela più velocemente". Ho guardato molti siti web ma le informazioni erano troppo contrastanti. E queste erano solo opinioni, infondate dal punto di vista della scienza. E ho deciso di condurre la mia esperienza. Dato che non riuscivo a trovare secchi di legno, ho usato un congelatore, un piano cottura, un po' d'acqua e un termometro digitale. Parlerò dei risultati della mia esperienza un po' più tardi. Innanzitutto, condividerò con te alcuni argomenti interessanti sull'acqua:

L'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. La maggior parte degli esperti afferma che l'acqua fredda si congelerà più velocemente dell'acqua calda. Ma un fenomeno divertente (il cosiddetto effetto Memba), per ragioni sconosciute, dimostra il contrario: l'acqua calda gela più velocemente dell'acqua fredda. Una delle numerose spiegazioni è il processo di evaporazione: se l'acqua molto calda viene collocata in un ambiente freddo, l'acqua inizierà ad evaporare (la quantità rimanente di acqua si congelerà più velocemente). E secondo le leggi della chimica, questo non è affatto un mito, e molto probabilmente questo è ciò che l'insegnante voleva sentire da noi.

L'acqua bollita si congela più velocemente dell'acqua del rubinetto. Nonostante la spiegazione precedente, alcuni esperti sostengono che l'acqua bollita che si è raffreddata a temperatura ambiente dovrebbe congelare più velocemente perché l'ebollizione riduce la quantità di ossigeno.

L'acqua fredda bolle più velocemente dell'acqua calda. Se l'acqua calda si congela più velocemente, l'acqua fredda potrebbe bollire più velocemente! Ciò è contrario al buon senso e gli scienziati sostengono che semplicemente non può essere. L'acqua calda del rubinetto dovrebbe effettivamente bollire più velocemente dell'acqua fredda. Ma usando l'acqua calda per far bollire, non risparmi energia. Puoi usare meno gas o elettricità, ma lo scaldabagno utilizzerà la stessa quantità di energia necessaria per riscaldare l'acqua fredda. (L'energia solare è leggermente diversa.) Come risultato del riscaldamento dell'acqua con uno scaldabagno, potrebbero formarsi dei sedimenti, quindi l'acqua impiegherà più tempo a riscaldarsi.

Se aggiungi sale all'acqua, bolle più velocemente. Il sale aumenta il punto di ebollizione (e quindi abbassa il punto di congelamento, motivo per cui alcune massaie aggiungono un po' di salgemma al gelato). Ma in questo caso, ci interessa un'altra domanda: per quanto tempo bollirà l'acqua e se il punto di ebollizione in questo caso può superare i 100 ° C). Nonostante ciò che dicono i libri di cucina, gli scienziati affermano che la quantità di sale che aggiungiamo all'acqua bollente non è sufficiente per influenzare il tempo o la temperatura dell'ebollizione.

Ma ecco cosa ho ottenuto:

Acqua fredda: ho usato tre bicchieri di vetro da 100 ml di acqua purificata: uno a temperatura ambiente (72°F/22°C), uno caldo (115°F/46°C) e uno bollito (212°F/100°C). C). Ho messo tutti e tre i bicchieri nel congelatore a -18°C. E poiché sapevo che l'acqua non si sarebbe trasformata immediatamente in ghiaccio, ho determinato il grado di congelamento mediante il “galleggiante di legno”. Quando il bastoncino, posto al centro del bicchiere, non toccava più la base, credevo che l'acqua si fosse ghiacciata. Ho controllato gli occhiali ogni cinque minuti. E quali sono i miei risultati? L'acqua nel primo bicchiere si è congelata dopo 50 minuti. L'acqua calda si è congelata dopo 80 minuti. Bollito - dopo 95 minuti. Le mie conclusioni: considerando le condizioni nel congelatore e l'acqua che ho usato, non sono stato in grado di riprodurre l'effetto Memba.

Ho anche provato questo esperimento con acqua precedentemente bollita e raffreddata a temperatura ambiente. Si è congelato in 60 minuti - ci è voluto ancora più tempo dell'acqua fredda per congelare.

Acqua bollita: ho preso un litro d'acqua a temperatura ambiente e l'ho dato alle fiamme. Ha bollito in 6 minuti. Poi l'ho fatto raffreddare nuovamente a temperatura ambiente e l'ho aggiunto a quello caldo. Con lo stesso fuoco, l'acqua calda fece bollire in 4 ore e 30 minuti. Conclusione: come previsto, l'acqua calda bolle molto più velocemente.

Acqua bollita (con sale): ho aggiunto 2 cucchiai abbondanti di sale da cucina a 1 litro d'acqua. Bolliva in 6 minuti e 33 secondi e, come mostrava il termometro, raggiunse una temperatura di 102°C. Indubbiamente, il sale influisce sul punto di ebollizione, ma non molto. Conclusione: il sale nell'acqua non influisce molto sulla temperatura e sul tempo di ebollizione. Ammetto onestamente che la mia cucina è difficile da definire un laboratorio, e forse le mie conclusioni sono contrarie alla realtà. Il mio congelatore potrebbe congelare il cibo in modo non uniforme. I miei occhiali di vetro potrebbero essere irregolari, ecc. Ma qualunque cosa accada in laboratorio, quando si tratta di congelare o bollire l'acqua in cucina, la cosa più importante è il buon senso.

collegamento con fatti interessanti sull'acquatutto sull'acqua
come suggerito sul forum forum.ixbt.com, questo effetto (l'effetto di congelare l'acqua calda più velocemente dell'acqua fredda) è chiamato "effetto Aristotele-Mpemba"

Quelli. l'acqua bollita (refrigerata) si congela più velocemente di quella "cruda"