thuis Ramen en deuren Heet water bevriest sneller dan koud water. Welk water bevriest sneller: warm of koud?

Heet water bevriest sneller dan koud water. Welk water bevriest sneller: warm of koud?

Mpemba-effect(Mpemba's paradox) is een paradox die dat stelt heet water Onder bepaalde omstandigheden bevriest het sneller dan koud water, hoewel het tijdens het bevriezingsproces de temperatuur van koud water moet passeren. Deze paradox is een experimenteel feit dat in tegenspraak is met de gebruikelijke ideeën, volgens welke, onder dezelfde omstandigheden, een meer verwarmd lichaam meer tijd nodig heeft om af te koelen tot een bepaalde temperatuur dan een minder verwarmd lichaam om af te koelen tot dezelfde temperatuur.

Dit fenomeen werd ooit opgemerkt door Aristoteles, Francis Bacon en Rene Descartes, maar pas in 1963 ontdekte de Tanzaniaanse schooljongen Erasto Mpemba dat een heet ijsmengsel sneller bevriest dan een koud mengsel.

Een student zijn van Magambinskaya middelbare school in Tanzania deed Erasto Mpemba dat praktisch werk bij het koken. Hij moest zelfgemaakt ijs maken - melk koken, suiker erin oplossen, afkoelen tot het klaar was kamertemperatuur en zet het dan in de koelkast om in te vriezen. Blijkbaar was Mpemba geen bijzonder ijverige student en stelde hij de voltooiing van het eerste deel van de taak uit. Uit angst dat hij het einde van de les niet zou halen, zette hij nog hete melk in de koelkast. Tot zijn verbazing bevroor het zelfs eerder dan de melk van zijn kameraden, bereid volgens de gegeven technologie.

Hierna experimenteerde Mpemba niet alleen met melk, maar ook met gewoon water. Hoe dan ook, al als student aan de Mkwava Secondary School vroeg hij professor Dennis Osborne van het University College in Dar Es Salaam (uitgenodigd door de schooldirecteur om een lezing over natuurkunde aan de studenten te geven) specifiek over water: “Als je twee identieke containers met gelijke volumes water, zodat het water in de ene een temperatuur van 35°C heeft, en in de andere - 100°C, en ze in de vriezer plaatsen, en in de tweede zal het water sneller bevriezen. Waarom?" Osborne raakte geïnteresseerd in deze kwestie en al snel, in 1969, publiceerden hij en Mpemba de resultaten van hun experimenten in het tijdschrift Physics Education. Sindsdien wordt het effect dat ze ontdekten genoemd Mpemba-effect.

Tot nu toe weet niemand precies hoe dit vreemde effect moet worden verklaard. Wetenschappers hebben geen enkele versie, hoewel er veel zijn. Het gaat om het verschil in eigenschappen van warm en koud water, maar welke eigenschappen daarbij een rol spelen is nog niet duidelijk: het verschil in onderkoeling, verdamping, ijsvorming, convectie, of het effect van vloeibaar gemaakte gassen op water bij verschillende temperaturen.

De paradox van het Mpemba-effect is dat de tijd waarin het lichaam afkoelt tot temperatuur omgeving, moet evenredig zijn met het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving. Deze wet is opgesteld door Newton en is sindsdien vele malen in de praktijk bevestigd. Door dit effect koelt water met een temperatuur van 100°C sneller af naar een temperatuur van 0°C dan dezelfde hoeveelheid water met een temperatuur van 35°C.

Dit impliceert echter nog geen paradox, aangezien het Mpemba-effect kan worden verklaard binnen het raamwerk van de bekende natuurkunde. Hier zijn enkele verklaringen voor het Mpemba-effect:

Verdamping

Heet water verdampt sneller uit de container, waardoor het volume kleiner wordt, en een kleiner volume water bij dezelfde temperatuur bevriest sneller. Water dat tot 100 C wordt verwarmd, verliest 16% van zijn massa als het wordt afgekoeld tot 0 C.

Het verdampingseffect is een dubbel effect. Ten eerste neemt de hoeveelheid water die nodig is voor koeling af. En ten tweede neemt de temperatuur af doordat de verdampingswarmte van de overgang van de waterfase naar de stoomfase afneemt.

Temperatuur verschil

Vanwege het temperatuurverschil tussen heet water en er is meer koude lucht - daarom is de warmte-uitwisseling in dit geval intenser en koelt het warme water sneller af.

Hypothermie

Wanneer water afkoelt tot onder 0 C, bevriest het niet altijd. Onder bepaalde omstandigheden kan het onderkoeling ondergaan en blijft het vloeibaar bij temperaturen onder het vriespunt. In sommige gevallen kan water zelfs bij een temperatuur van –20 C vloeibaar blijven.

De reden voor dit effect is dat er kristalvormingscentra nodig zijn om de eerste ijskristallen te kunnen vormen. Als ze niet aanwezig zijn in vloeibaar water, zal de onderkoeling doorgaan totdat de temperatuur voldoende daalt om spontaan kristallen te vormen. Wanneer ze zich beginnen te vormen in de onderkoelde vloeistof, zullen ze sneller gaan groeien en slush-ijs vormen, dat zal bevriezen en ijs zal vormen.

Heet water is het meest vatbaar voor onderkoeling, omdat bij verhitting opgeloste gassen en bellen worden verwijderd, die op hun beurt kunnen dienen als centra voor de vorming van ijskristallen.

Waarom zorgt onderkoeling ervoor dat warm water sneller bevriest? Bij koud water dat niet onderkoeld is, gebeurt het volgende. In dit geval dunne laag Er zal zich ijs vormen op het oppervlak van het vat. Deze ijslaag zal als isolator fungeren tussen het water en de koude lucht en verdere verdamping voorkomen. De snelheid van vorming van ijskristallen zal in dit geval lager zijn. In het geval van heet water dat wordt onderworpen aan onderkoeling, heeft het onderkoelde water geen beschermende oppervlaktelaag van ijs. Daarom verliest het veel sneller warmte via de open bovenkant.

Wanneer het onderkoelingsproces eindigt en het water bevriest, gaat er veel meer warmte verloren en dus gevormd meer ijs.

Veel onderzoekers van dit effect beschouwen onderkoeling als de belangrijkste factor in het geval van het Mpemba-effect.

Convectie

Koud water begint van bovenaf te bevriezen, waardoor de processen van warmtestraling en convectie, en dus warmteverlies, worden verergerd, terwijl heet water van onderaf begint te bevriezen.

Dit effect wordt verklaard door een anomalie in de waterdichtheid. Water heeft een maximale dichtheid bij 4 C. Als je water afkoelt tot 4 C en het op een lagere temperatuur zet, zal de oppervlaktelaag van water sneller bevriezen. Omdat dit water een lagere dichtheid heeft dan water met een temperatuur van 4 C, zal het aan het oppervlak blijven liggen en een dunne koude laag vormen. Onder deze omstandigheden zal zich binnen korte tijd een dunne ijslaag op het wateroppervlak vormen, maar deze ijslaag zal als isolator dienen en de onderste waterlagen beschermen, die op een temperatuur van 4 C blijven. Daarom zal het verdere afkoelingsproces langzamer verlopen.

In het geval van warm water is de situatie compleet anders. De oppervlaktelaag van water zal sneller afkoelen door verdamping en een groter temperatuurverschil. Bovendien zijn koudwaterlagen dichter dan warmwaterlagen, waardoor de koudwaterlaag naar beneden zal zakken, waardoor de laag omhoog komt warm water naar het oppervlak. Deze watercirculatie zorgt voor een snelle temperatuurdaling.

Maar waarom bereikt dit proces geen evenwichtspunt? Om het Mpemba-effect vanuit dit gezichtspunt van convectie te verklaren, zou het nodig zijn om aan te nemen dat de koude en hete waterlagen gescheiden zijn en dat het convectieproces zelf doorgaat nadat Gemiddelde temperatuur het water zakt tot onder de 4 C.

Er is echter geen experimenteel bewijs om deze hypothese te ondersteunen dat koude en hete waterlagen worden gescheiden door het proces van convectie.

Gassen opgelost in water

Water bevat altijd opgeloste gassen - zuurstof en kooldioxide. Deze gassen hebben het vermogen om het vriespunt van water te verlagen. Bij het verwarmen van water komen deze gassen vrij uit het water omdat ze oplosbaar zijn in water hoge temperatuur onderstaand. Wanneer warm water afkoelt, bevat het daarom altijd minder opgeloste gassen dan in onverwarmd koud water. Daarom is het vriespunt van verwarmd water hoger en bevriest het sneller. Deze factor wordt soms beschouwd als de belangrijkste factor bij het verklaren van het Mpemba-effect, hoewel er geen experimentele gegevens zijn die dit feit bevestigen.

Warmtegeleiding

Dit mechanisme kan een belangrijke rol spelen wanneer water in de vriezer wordt geplaatst. koelkamer in kleine containers. Onder deze omstandigheden werd opgemerkt dat een container met heet water het ijs eronder doet smelten diepvries, waardoor het thermisch contact met de vriezerwand en de thermische geleidbaarheid worden verbeterd. Hierdoor wordt de warmte uit een warmwaterbak sneller afgevoerd dan uit een koude bak. Een bak met koud water doet op zijn beurt de sneeuw eronder niet smelten.

Al deze (en ook andere) omstandigheden werden in veel experimenten bestudeerd, maar een duidelijk antwoord op de vraag - welke daarvan een honderd procent reproductie van het Mpemba-effect opleveren - werd nooit verkregen.

In 1995 bestudeerde de Duitse natuurkundige David Auerbach bijvoorbeeld het effect van onderkoeld water op dit effect. Hij ontdekte dat heet water, dat een onderkoelde toestand bereikt, bij een hogere temperatuur bevriest dan koud water, en dus sneller dan laatstgenoemd water. Maar koud water bereikt sneller een onderkoelde toestand dan een warme toestand, waardoor de eerdere vertraging wordt gecompenseerd.

Bovendien waren de resultaten van Auerbach in tegenspraak met eerdere gegevens dat heet water een grotere onderkoeling kon bereiken dankzij minder kristallisatiecentra. Wanneer water wordt verwarmd, worden de daarin opgeloste gassen eruit verwijderd, en wanneer het wordt gekookt, slaan sommige daarin opgeloste zouten neer.

Voorlopig kan er maar één ding worden gezegd: de reproductie van dit effect hangt in grote mate af van de omstandigheden waaronder het experiment wordt uitgevoerd. Juist omdat het niet altijd wordt gereproduceerd.

In 1963 stelde een Tanzaniaanse schooljongen genaamd Erasto Mpemba zijn leraar een domme vraag: waarom bevroor het warme ijs in zijn vriezer sneller dan het koude ijs?

Als student aan de Magambi High School in Tanzania deed Erasto Mpemba praktijkwerk als kok. Hij moest zelfgemaakt ijs maken - melk koken, suiker erin oplossen, afkoelen tot kamertemperatuur en vervolgens in de koelkast zetten om te bevriezen. Blijkbaar was Mpemba geen bijzonder ijverige student en stelde hij de voltooiing van het eerste deel van de taak uit. Uit angst dat hij het einde van de les niet zou halen, zette hij nog hete melk in de koelkast. Tot zijn verbazing bevroor het zelfs eerder dan de melk van zijn kameraden, bereid volgens de gegeven technologie.

Hij wendde zich tot de natuurkundeleraar voor opheldering, maar hij lachte de leerling alleen maar uit en zei het volgende: "Dit is geen universele natuurkunde, maar Mpemba-fysica." Hierna experimenteerde Mpemba niet alleen met melk, maar ook met gewoon water.

Hoe dan ook, al als student aan de Mkwava Secondary School vroeg hij professor Dennis Osborne van het University College in Dar Es Salaam (uitgenodigd door de schooldirecteur om een lezing over natuurkunde aan de studenten te geven) specifiek over water: “Als je twee identieke containers met gelijke volumes water, zodat het water in de ene een temperatuur van 35°C heeft, en in de andere - 100°C, en ze in de vriezer plaatsen, en in de tweede zal het water sneller bevriezen. Waarom?" Osborne raakte geïnteresseerd in deze kwestie en al snel, in 1969, publiceerden hij en Mpemba de resultaten van hun experimenten in het tijdschrift Physics Education. Sindsdien wordt het effect dat ze ontdekten het Mpemba-effect genoemd.

Wilt u weten waarom dit gebeurt? Nog maar een paar jaar geleden slaagden wetenschappers erin dit fenomeen te verklaren...

Het Mpemba-effect (Mpemba Paradox) is een paradox die stelt dat warm water onder bepaalde omstandigheden sneller bevriest dan koud water, hoewel het tijdens het bevriezingsproces de temperatuur van koud water moet passeren. Deze paradox is een experimenteel feit dat in tegenspraak is met de gebruikelijke ideeën, volgens welke, onder dezelfde omstandigheden, een meer verwarmd lichaam meer tijd nodig heeft om af te koelen tot een bepaalde temperatuur dan een minder verwarmd lichaam om af te koelen tot dezelfde temperatuur.

Dit fenomeen werd in hun tijd opgemerkt door Aristoteles, Francis Bacon en René Descartes. Tot nu toe weet niemand precies hoe dit vreemde effect moet worden verklaard. Wetenschappers hebben geen enkele versie, hoewel er veel zijn. Het gaat om het verschil in eigenschappen van warm en koud water, maar welke eigenschappen daarbij een rol spelen is nog niet duidelijk: het verschil in onderkoeling, verdamping, ijsvorming, convectie, of het effect van vloeibaar gemaakte gassen op water bij verschillende temperaturen. De paradox van het Mpemba-effect is dat de tijd waarin een lichaam afkoelt tot de omgevingstemperatuur evenredig moet zijn aan het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving. Deze wet is opgesteld door Newton en is sindsdien vele malen in de praktijk bevestigd. Door dit effect koelt water met een temperatuur van 100°C sneller af naar een temperatuur van 0°C dan dezelfde hoeveelheid water met een temperatuur van 35°C.

Sindsdien hebben ze zich uitgesproken verschillende versies, waarvan er één klonk op de volgende manier: een deel van het hete water verdampt eerst eenvoudigweg, en als er minder van overblijft, bevriest het water sneller. Deze versie werd vanwege zijn eenvoud het populairst, maar stelde wetenschappers niet helemaal tevreden.

Nu is een team van onderzoekers van Universiteit van Technologie De Nanyang Technological University in Singapore, onder leiding van chemicus Xi Zhang, zei dat ze het eeuwenoude mysterie hebben opgelost waarom warm water sneller bevriest dan koud water. Zoals Chinese experts hebben ontdekt, ligt het geheim in de hoeveelheid energie die is opgeslagen in waterstofbruggen tussen watermoleculen.

Zoals je weet bestaan watermoleculen uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen die bij elkaar worden gehouden covalente bindingen, wat op deeltjesniveau lijkt op een uitwisseling van elektronen. Een andere bekend feit ligt in het feit dat waterstofatomen worden aangetrokken door zuurstofatomen van naburige moleculen - en er waterstofbruggen worden gevormd.

Tegelijkertijd stoten watermoleculen elkaar over het algemeen af. Wetenschappers uit Singapore merkten op: hoe warmer het water, hoe groter de afstand tussen de moleculen van de vloeistof als gevolg van een toename van de afstotende krachten. Als gevolg hiervan worden waterstofbruggen uitgerekt en wordt er dus meer energie opgeslagen. Deze energie komt vrij als het water afkoelt: de moleculen bewegen dichter naar elkaar toe. En het vrijkomen van energie betekent, zoals bekend, koeling.

Hier zijn de aannames van wetenschappers:

Verdamping

Heet water verdampt sneller uit de container, waardoor het volume kleiner wordt, en een kleiner volume water bij dezelfde temperatuur bevriest sneller. Water verwarmd tot 100°C verliest 16% van zijn massa wanneer het wordt afgekoeld tot 0°C. Het verdampingseffect is een dubbel effect. Ten eerste neemt de hoeveelheid water die nodig is voor koeling af. En ten tweede neemt de temperatuur door verdamping af.

Temperatuur verschil

Omdat het temperatuurverschil tussen warm water en koude lucht groter is, is de warmte-uitwisseling in dit geval intenser en koelt het warme water sneller af.

Hypothermie
Wanneer water afkoelt tot onder 0°C, bevriest het niet altijd. Onder bepaalde omstandigheden kan het onderkoeling ondergaan en blijft het vloeibaar bij temperaturen onder het vriespunt. In sommige gevallen kan water zelfs bij een temperatuur van -20°C vloeibaar blijven. De reden voor dit effect is dat er kristalvormingscentra nodig zijn om de eerste ijskristallen te kunnen vormen. Als ze niet aanwezig zijn in vloeibaar water, zal de onderkoeling doorgaan totdat de temperatuur voldoende daalt om spontaan kristallen te vormen. Wanneer ze zich beginnen te vormen in de onderkoelde vloeistof, zullen ze sneller gaan groeien en slush-ijs vormen, dat zal bevriezen en ijs zal vormen. Heet water is het meest vatbaar voor onderkoeling, omdat bij verhitting opgeloste gassen en bellen worden verwijderd, die op hun beurt kunnen dienen als centra voor de vorming van ijskristallen. Waarom zorgt onderkoeling ervoor dat warm water sneller bevriest? Bij koud water dat niet onderkoeld is, gebeurt het volgende: op het oppervlak vormt zich een dun laagje ijs, dat als isolator werkt tussen het water en de koude lucht en daardoor verdere verdamping voorkomt. De snelheid van vorming van ijskristallen zal in dit geval lager zijn. In het geval van heet water dat wordt onderworpen aan onderkoeling, heeft het onderkoelde water geen beschermende oppervlaktelaag van ijs. Daarom verliest het veel sneller warmte via de open bovenkant. Wanneer het onderkoelingsproces eindigt en het water bevriest, gaat er veel meer warmte verloren en wordt er dus meer ijs gevormd. Veel onderzoekers van dit effect beschouwen onderkoeling als de belangrijkste factor in het geval van het Mpemba-effect.
Convectie

Koud water begint van bovenaf te bevriezen, waardoor de processen van warmtestraling en convectie, en dus warmteverlies, worden verergerd, terwijl heet water van onderaf begint te bevriezen. Dit effect wordt verklaard door een anomalie in de waterdichtheid. Water heeft zijn maximale dichtheid bij 4°C. Als je water afkoelt tot 4°C en het in een omgeving met een lagere temperatuur plaatst, zal de oppervlaktelaag van het water sneller bevriezen. Omdat dit water een lagere dichtheid heeft dan water van 4°C, zal het aan het oppervlak blijven liggen en een dunne koude laag vormen. Onder deze omstandigheden zal zich binnen korte tijd een dunne ijslaag op het wateroppervlak vormen, maar deze ijslaag zal als isolator werken en de onderste waterlagen beschermen, die een temperatuur van 4°C zullen behouden. . Daarom zal het verdere afkoelingsproces langzamer verlopen. In het geval van warm water is de situatie compleet anders. De oppervlaktelaag van water zal sneller afkoelen door verdamping en een groter temperatuurverschil. Bovendien zijn koudwaterlagen dichter dan warmwaterlagen, waardoor de koudwaterlaag naar beneden zal zinken, waardoor de warmwaterlaag naar de oppervlakte komt. Deze watercirculatie zorgt voor een snelle temperatuurdaling. Maar waarom bereikt dit proces geen evenwichtspunt? Om het Mpemba-effect vanuit het oogpunt van convectie te verklaren, zou het nodig zijn om aan te nemen dat de koude en hete waterlagen gescheiden zijn en dat het convectieproces zelf doorgaat nadat de gemiddelde watertemperatuur onder de 4 ° C is gedaald. Er is echter geen experimenteel bewijs om deze hypothese te ondersteunen dat koude en hete waterlagen worden gescheiden door het proces van convectie.

Gassen opgelost in water

Water bevat altijd opgeloste gassen: zuurstof en koolstofdioxide. Deze gassen hebben het vermogen om het vriespunt van water te verlagen. Bij het verwarmen van water komen deze gassen vrij uit het water, omdat hun oplosbaarheid in water lager is bij hoge temperaturen. Wanneer warm water afkoelt, bevat het daarom altijd minder opgeloste gassen dan in onverwarmd koud water. Daarom is het vriespunt van verwarmd water hoger en bevriest het sneller. Deze factor wordt soms beschouwd als de belangrijkste factor bij het verklaren van het Mpemba-effect, hoewel er geen experimentele gegevens zijn die dit feit bevestigen.

Warmtegeleiding

Dit mechanisme kan een belangrijke rol spelen wanneer water in kleine bakjes in de vriezer van het koelgedeelte wordt geplaatst. Onder deze omstandigheden is waargenomen dat een bak met heet water het ijs in de vriezer eronder doet smelten, waardoor het thermisch contact met de vriezerwand en de thermische geleidbaarheid worden verbeterd. Hierdoor wordt de warmte uit een warmwaterbak sneller afgevoerd dan uit een koude bak. Een bak met koud water doet op zijn beurt de sneeuw eronder niet smelten. Al deze (en ook andere) omstandigheden werden in veel experimenten bestudeerd, maar een ondubbelzinnig antwoord op de vraag - welke van hen een 100% reproductie van het Mpemba-effect garanderen - werd nooit verkregen. In 1995 bestudeerde de Duitse natuurkundige David Auerbach bijvoorbeeld het effect van onderkoeld water op dit effect. Hij ontdekte dat heet water, dat een onderkoelde toestand bereikt, bij een hogere temperatuur bevriest dan koud water, en dus sneller dan laatstgenoemd water. Maar koud water bereikt sneller een onderkoelde toestand dan warm water, waardoor de eerdere vertraging wordt gecompenseerd. Bovendien waren de resultaten van Auerbach in tegenspraak met eerdere gegevens dat heet water een grotere onderkoeling kon bereiken dankzij minder kristallisatiecentra. Wanneer water wordt verwarmd, worden de daarin opgeloste gassen eruit verwijderd, en wanneer het wordt gekookt, slaan sommige daarin opgeloste zouten neer. Voorlopig kan er maar één ding worden gezegd: de reproductie van dit effect hangt in belangrijke mate af van de omstandigheden waaronder het experiment wordt uitgevoerd. Juist omdat het niet altijd wordt gereproduceerd.

Maar zoals ze zeggen, de meest waarschijnlijke reden.

Zoals de scheikundigen schrijven in hun artikel, dat te vinden is op de preprint website arXiv.org, zijn waterstofbruggen sterker in warm water dan in koud water. Het blijkt dus dat er meer energie wordt opgeslagen in de waterstofbruggen van heet water, wat betekent dat er meer energie vrijkomt bij afkoeling tot temperaturen onder nul. Om deze reden treedt verharding sneller op.

Tot nu toe hebben wetenschappers dit mysterie alleen theoretisch opgelost. Wanneer ze overtuigend bewijs van hun versie presenteren, kan de vraag waarom warm water sneller bevriest dan koud water als gesloten worden beschouwd.

Water- vanuit chemisch oogpunt een vrij eenvoudige stof, maar het heeft een aantal ongebruikelijke eigenschappen die wetenschappers altijd blijven verbazen. Hieronder staan een paar feiten die maar weinig mensen weten.

1. Welk water bevriest sneller: koud of warm?

Laten we twee containers met water nemen: giet heet water in de ene en koud water in de andere, en plaats ze in de vriezer. Heet water zal sneller bevriezen dan koud water, hoewel koud water logischerwijs eerst in ijs had moeten veranderen: warm water moet immers eerst afkoelen tot de koude temperatuur en dan in ijs veranderen, terwijl koud water niet hoeft af te koelen. Waarom gebeurt dit?

In 1963 merkte een Tanzaniaanse student genaamd Erasto B. Mpemba, terwijl hij een ijsmengsel invroor, dat het hete mengsel sneller stolde in de vriezer dan het koude mengsel. Toen de jongeman zijn ontdekking deelde met zijn natuurkundeleraar, lachte hij hem alleen maar uit. Gelukkig was de leerling volhardend en overtuigde hij de leraar om een experiment uit te voeren, wat zijn ontdekking bevestigde: onder bepaalde omstandigheden bevriest warm water zelfs sneller dan koud water.

Nu wordt dit fenomeen waarbij warm water sneller bevriest dan koud water “ Mpemba-effect" Het is waar dat deze unieke eigenschap van water lang vóór hem werd opgemerkt door Aristoteles, Francis Bacon en Rene Descartes.

Wetenschappers begrijpen de aard van dit fenomeen nog steeds niet volledig en verklaren het door het verschil in onderkoeling, verdamping, ijsvorming, convectie of door het effect van vloeibaar gemaakte gassen op warm en koud water.

2. Het kan direct bevriezen

Iedereen weet dat water verandert altijd in ijs wanneer het wordt afgekoeld tot 0°C... met enkele uitzonderingen! Een dergelijk geval is bijvoorbeeld onderkoeling, wat een eigenschap is van zeer schoon water blijven vloeibaar, zelfs als het tot onder het vriespunt is afgekoeld. Dit fenomeen wordt mogelijk gemaakt doordat de omgeving geen kristallisatiecentra of kernen bevat die de vorming van ijskristallen zouden kunnen veroorzaken. En dus blijft water in vloeibare vorm, zelfs als het wordt afgekoeld tot onder nul graden Celsius.

Kristallisatieproces kan bijvoorbeeld worden veroorzaakt door gasbellen, onzuiverheden (verontreinigingen) of een oneffen oppervlak van de container. Zonder hen zal water in vloeibare toestand blijven. Wanneer het kristallisatieproces begint, kun je zien hoe het supergekoelde water onmiddellijk in ijs verandert.

Merk op dat “oververhit” water ook vloeibaar blijft, zelfs als het boven het kookpunt wordt verwarmd.

3. 19 watertoestanden

Noem zonder aarzeling hoeveel verschillende toestanden water heeft? Als je er drie hebt geantwoord: vast, vloeibaar, gas, dan heb je het mis. Wetenschappers onderscheiden minstens 5 verschillende toestanden van water in vloeibare vorm en 14 toestanden in bevroren vorm.

Herinner je je het gesprek over supergekoeld water nog? Dus wat je ook doet, bij -38 °C verandert zelfs het zuiverste supergekoelde water plotseling in ijs. Wat gebeurt er als de temperatuur verder daalt? Bij -120 °C begint er iets vreemds met het water te gebeuren: het wordt superviskeus of stroperig, zoals melasse, en bij temperaturen onder -135 °C verandert het in “glazig” of “glasachtig” water - stevig, waarin er geen kristalstructuur is.

4. Water verrast natuurkundigen

Op moleculair niveau is water zelfs nog verrassender. In 1995 leverde een door wetenschappers uitgevoerd experiment met neutronenverstrooiing een onverwacht resultaat op: natuurkundigen ontdekten dat neutronen gericht op watermoleculen 25% minder waterstofprotonen ‘zien’ dan verwacht.

Het bleek dat bij een snelheid van één attoseconde (10 -18 seconden) een ongebruikelijk kwantumeffect plaatsvindt, en chemische formule water in plaats daarvan H2O, wordt H1.5O!

5. Watergeheugen

Alternatief officieel medicijn homeopathie stelt dat een verdunde oplossing geneesmiddel kan een genezend effect op het lichaam hebben, zelfs als de verdunningsfactor zo hoog is dat er niets anders in de oplossing overblijft dan watermoleculen. Voorstanders van de homeopathie verklaren deze paradox met een concept genaamd ‘ watergeheugen“, volgens welke water op moleculair niveau een ‘geheugen’ heeft van de stof die er ooit in was opgelost en de eigenschappen van de oplossing met de oorspronkelijke concentratie behoudt nadat er geen enkel molecuul van het ingrediënt in achterblijft.

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van professor Madeleine Ennis van de Queen's Universiteit van Belfast, die kritiek had geuit op de principes van de homeopathie, voerde in 2002 een experiment uit om het concept voor eens en voor altijd te weerleggen. Het resultaat was het tegenovergestelde. Waarna wetenschappers verklaarden dat ze de realiteit van het effect konden bewijzen “ watergeheugen" Experimenten uitgevoerd onder toezicht van onafhankelijke deskundigen leverden echter geen resultaten op. Geschillen over het bestaan van het fenomeen " watergeheugen"doorgaan.

Water heeft nog veel meer ongewone eigenschappen waar we het in dit artikel niet over hebben gehad. De dichtheid van water verandert bijvoorbeeld afhankelijk van de temperatuur (de dichtheid van ijs is kleiner dan de dichtheid van water); water heeft een vrij hoge oppervlaktespanning; in vloeibare toestand is water een complex en dynamisch veranderend netwerk van waterclusters, en het is het gedrag van de clusters dat de structuur van water beïnvloedt, enz.

Over deze en vele andere onverwachte kenmerken water is te lezen in het artikel “ Afwijkende eigenschappen van water", geschreven door Martin Chaplin, professor aan de Universiteit van Londen.

Er zijn veel factoren die beïnvloeden welk water sneller bevriest, warm of koud, maar de vraag zelf lijkt een beetje vreemd. De implicatie, en dit is bekend uit de natuurkunde, is dat heet water nog steeds tijd nodig heeft om af te koelen tot de temperatuur van het koude water dat wordt vergeleken voordat het in ijs verandert. Koud water kan deze fase overslaan en wint daardoor tijd.

Maar het antwoord op de vraag welk water sneller bevriest - koud of warm - buiten in de kou, weet elke bewoner noordelijke breedtegraden. Wetenschappelijk blijkt zelfs dat koud water in ieder geval sneller zal bevriezen.

De natuurkundeleraar, die in 1963 werd benaderd door schooljongen Erasto Mpemba, dacht hetzelfde met het verzoek uit te leggen waarom het koude mengsel van toekomstig ijs langer nodig heeft om te bevriezen dan een soortgelijk, maar heet mengsel.

“Dit is geen universele natuurkunde, maar een soort Mpemba-fysica”

Destijds lachte de leraar hier alleen maar om, maar Deniss Osborne, een professor in de natuurkunde, die ooit dezelfde school bezocht waar Erasto studeerde, bevestigde experimenteel de aanwezigheid van een dergelijk effect, hoewel er toen geen verklaring voor was. In 1969 werd een gezamenlijk artikel van deze twee mensen gepubliceerd in een populair wetenschappelijk tijdschrift, waarin dit bijzondere effect werd beschreven.

Sindsdien heeft de vraag welk water sneller bevriest - warm of koud - trouwens zijn eigen naam: het Mpemba-effect, of paradox.

De vraag bestaat al een hele tijd

Uiteraard vond een dergelijk fenomeen eerder plaats en werd het genoemd in de werken van andere wetenschappers. Niet alleen het schoolkind was geïnteresseerd in deze kwestie, maar ook Rene Descartes en zelfs Aristoteles dachten er ooit over na.

Maar ze begonnen pas aan het einde van de twintigste eeuw te zoeken naar manieren om deze paradox op te lossen.

Voorwaarden voor het optreden van een paradox

Net als bij ijs bevriest het tijdens het experiment niet alleen gewoon water. Er moeten bepaalde omstandigheden aanwezig zijn om te kunnen discussiëren over welk water sneller bevriest: koud of warm. Wat beïnvloedt het verloop van dit proces?

Nu, in de 21e eeuw, zijn er verschillende opties naar voren gebracht die deze paradox kunnen verklaren. Welk water sneller bevriest, warm of koud, kan afhangen van het feit dat het een hogere verdampingssnelheid heeft dan koud water. Het volume neemt dus af, en naarmate het volume afneemt, wordt de invriestijd korter dan wanneer we hetzelfde initiële volume koud water nemen.

Het is alweer een tijdje geleden dat je de vriezer hebt ontdooid.

Welk water sneller bevriest en waarom dit gebeurt, kan worden beïnvloed door de sneeuwlaag die mogelijk aanwezig is in de vriezer van de koelkast die voor het experiment wordt gebruikt. Als u twee containers neemt die qua volume identiek zijn, maar de ene bevat heet water en de andere koud, dan zal de container met heet water de sneeuw eronder smelten, waardoor het contact van het thermische niveau met de wand van de koelkast wordt verbeterd. Een bak met koud water kan dit niet. Als er geen dergelijke voering met sneeuw in het koelgedeelte aanwezig is, zou koud water sneller moeten bevriezen.

Boven - onder

Ook wordt het fenomeen waarbij water sneller bevriest – warm of koud – als volgt verklaard. Volgens bepaalde wetten begint koud water te bevriezen bovenste lagen, als het warm is, doet het het tegenovergestelde: het begint van onder naar boven te bevriezen. Het blijkt dat koud water, met daarbovenop een koude laag met op sommige plaatsen al ijs gevormd, de convectieprocessen verergert en thermische straling, waarmee wordt uitgelegd welk water sneller bevriest: koud of warm. Foto's van amateurexperimenten zijn bijgevoegd, en dit is hier duidelijk zichtbaar.

De hitte gaat naar buiten, snelt omhoog en ontmoet daar een zeer koele laag. Er is geen vrij pad voor warmtestraling, waardoor het koelproces moeilijk wordt. Heet water heeft absoluut geen dergelijke obstakels op zijn pad. Welke bevriest sneller - koud of warm, wat bepaalt de waarschijnlijke uitkomst?Je kunt het antwoord uitbreiden door te zeggen dat in water bepaalde stoffen zijn opgelost.

Onzuiverheden in water als factor die de uitkomst beïnvloedt

Als je niet vals speelt en water gebruikt met dezelfde samenstelling, waarbij de concentraties van bepaalde stoffen identiek zijn, dan zou koud water sneller moeten bevriezen. Maar als er zich een situatie voordoet bij ontbinding chemische elementen zijn alleen beschikbaar in warm water, en koud water heeft ze niet, dan bestaat de mogelijkheid dat warm water eerder bevriest. Dit wordt verklaard door het feit dat opgeloste stoffen in water kristallisatiecentra creëren, en met een klein aantal van deze centra is de transformatie van water in een vaste toestand moeilijk. Het is zelfs mogelijk dat het water onderkoeld raakt, in die zin dat het bij temperaturen onder het vriespunt in vloeibare toestand verkeert.

Maar al deze versies waren blijkbaar niet helemaal geschikt voor de wetenschappers en ze bleven aan dit onderwerp werken. In 2013 zei een team van onderzoekers in Singapore dat ze een eeuwenoud mysterie hadden opgelost.

Een groep Chinese wetenschappers beweert dat het geheim van dit effect schuilt in de hoeveelheid energie die tussen watermoleculen is opgeslagen in hun bindingen, waterstofbruggen genoemd.

Het antwoord van Chinese wetenschappers

Wat volgt is informatie, om te begrijpen dat je enige kennis van scheikunde nodig hebt om te begrijpen welk water sneller bevriest: warm of koud. Zoals bekend bestaat het uit twee H (waterstof) atomen en één O (zuurstof) atoom, bij elkaar gehouden door covalente bindingen.

Maar ook de waterstofatomen van één molecuul worden aangetrokken door naburige moleculen, door hun zuurstofcomponent. Deze bindingen worden waterstofbruggen genoemd.

Het is de moeite waard eraan te denken dat watermoleculen tegelijkertijd een afstotend effect op elkaar hebben. Wetenschappers merkten op dat wanneer water wordt verwarmd, de afstand tussen de moleculen groter wordt, en dit wordt mogelijk gemaakt door afstotende krachten. Het blijkt dat door dezelfde afstand tussen de moleculen in koude toestand in te nemen, kan worden gezegd dat ze uitrekken en dat ze een grotere energietoevoer hebben. Het is deze energiereserve die vrijkomt wanneer watermoleculen dichter naar elkaar toe beginnen te bewegen, dat wil zeggen dat er afkoeling optreedt. Het blijkt dat een grotere energiereserve in warm water, en de grotere vrijgave ervan bij koeling tot temperaturen onder het vriespunt, sneller optreedt dan in koud water, dat een kleinere reserve aan dergelijke energie heeft. Dus welk water bevriest sneller: koud of warm? Op straat en in het laboratorium zou de paradox van Mpemba zich moeten voordoen, en zou heet water sneller in ijs moeten veranderen.

Maar de vraag staat nog open

Er is alleen een theoretische bevestiging van deze oplossing - dit alles is geschreven in prachtige formules en lijkt plausibel. Maar wanneer de experimentele gegevens waaruit blijkt dat water sneller bevriest – warm of koud – in de praktijk worden gebracht en de resultaten ervan worden gepresenteerd, kan de kwestie van Mpemba’s paradox als gesloten worden beschouwd.

Mpemba-effect(Mpemba's Paradox) - een paradox die stelt dat warm water onder bepaalde omstandigheden sneller bevriest dan koud water, hoewel het tijdens het bevriezen de temperatuur van koud water moet passeren. Deze paradox is een experimenteel feit dat in tegenspraak is met de gebruikelijke ideeën, volgens welke, onder dezelfde omstandigheden, een meer verwarmd lichaam meer tijd nodig heeft om af te koelen tot een bepaalde temperatuur dan een minder verwarmd lichaam om af te koelen tot dezelfde temperatuur.

De paradox van het Mpemba-effect is dat de tijd waarin een lichaam afkoelt tot de omgevingstemperatuur evenredig moet zijn aan het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving. Deze wet is opgesteld door Newton en is sindsdien vele malen in de praktijk bevestigd. Door dit effect koelt water met een temperatuur van 100°C sneller af naar een temperatuur van 0°C dan dezelfde hoeveelheid water met een temperatuur van 35°C.

Dit impliceert echter nog geen paradox, aangezien het Mpemba-effect kan worden verklaard binnen het raamwerk van de bekende natuurkunde. Hier zijn enkele verklaringen voor het Mpemba-effect:

Verdamping

Temperatuur verschil

Omdat het temperatuurverschil tussen warm water en koude lucht groter is, is de warmte-uitwisseling in dit geval intenser en koelt het warme water sneller af.

Hypothermie

Heet water is het meest vatbaar voor onderkoeling, omdat bij verhitting opgeloste gassen en bellen worden verwijderd, die op hun beurt kunnen dienen als centra voor de vorming van ijskristallen.

Waarom zorgt onderkoeling ervoor dat warm water sneller bevriest? Bij koud water dat niet onderkoeld is, gebeurt het volgende. In dit geval zal zich een dunne laag ijs vormen op het oppervlak van het vat. Deze ijslaag zal als isolator fungeren tussen het water en de koude lucht en verdere verdamping voorkomen. De snelheid van vorming van ijskristallen zal in dit geval lager zijn. In het geval van heet water dat wordt onderworpen aan onderkoeling, heeft het onderkoelde water geen beschermende oppervlaktelaag van ijs. Daarom verliest het veel sneller warmte via de open bovenkant.

Wanneer het onderkoelingsproces eindigt en het water bevriest, gaat er veel meer warmte verloren en wordt er dus meer ijs gevormd.

Veel onderzoekers van dit effect beschouwen onderkoeling als de belangrijkste factor in het geval van het Mpemba-effect.

Convectie

Koud water begint van bovenaf te bevriezen, waardoor de processen van warmtestraling en convectie, en dus warmteverlies, worden verergerd, terwijl heet water van onderaf begint te bevriezen.

In het geval van warm water is de situatie compleet anders. De oppervlaktelaag van water zal sneller afkoelen door verdamping en een groter temperatuurverschil. Bovendien zijn koudwaterlagen dichter dan heetwaterlagen, waardoor de koudwaterlaag naar beneden zal zinken, waardoor de warmwaterlaag naar de oppervlakte komt. Deze watercirculatie zorgt voor een snelle temperatuurdaling.

Maar waarom bereikt dit proces geen evenwichtspunt? Om het Mpemba-effect vanuit dit gezichtspunt van convectie te verklaren, zou het nodig zijn om aan te nemen dat de koude en hete waterlagen gescheiden zijn en dat het convectieproces zelf doorgaat nadat de gemiddelde watertemperatuur onder de 4 C is gedaald.

Er is echter geen experimenteel bewijs om deze hypothese te ondersteunen dat koude en hete waterlagen worden gescheiden door het proces van convectie.

Gassen opgelost in water

Warmtegeleiding

In 1995 bestudeerde de Duitse natuurkundige David Auerbach bijvoorbeeld het effect van onderkoeld water op dit effect. Hij ontdekte dat heet water, dat een onderkoelde toestand bereikt, bij een hogere temperatuur bevriest dan koud water, en dus sneller dan laatstgenoemd water. Maar koud water bereikt sneller een onderkoelde toestand dan warm water, waardoor de eerdere vertraging wordt gecompenseerd.

O. V. Mosin

Literairbronnen:

"Heet water bevriest sneller dan koud water. Waarom doet het dat?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, blz. 246-257; September 1977.

"Het bevriezen van warm en koud water", G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, Nee. 5, blz. 564-565; Mei 1969.

"Superkoeling en het Mpemba-effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, Nee. 10, blz. 882-885; Oktober 1995.

"Het Mpemba-effect: de bevriezingstijden van warm en koud water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, Nee. 5, blz. 524; Mei 1996.

Wij bouwen een houten huis. Informatief portaal