Hallo, beste liefhebbers van interessante feiten. Vandaag zullen we er met je over praten. Maar ik denk dat de vraag die in de titel wordt gesteld eenvoudigweg absurd lijkt - maar dat je altijd onverdeeld moet vertrouwen op het beruchte 'gezonde verstand' en niet op een strikt vastgesteld testexperiment. Laten we proberen erachter te komen waarom heet water Vriest het sneller dan koud?
Historische referentie
Dat in de kwestie van ijskoud en heet water “niet alles puur is” werd genoemd in de werken van Aristoteles, en soortgelijke aantekeningen werden gemaakt door F. Bacon, R. Descartes en J. Black. IN moderne geschiedenis Dit effect kreeg de naam "Mpemba's paradox" - naar de Tanganyika-schooljongen Erasto Mpemba, die dezelfde vraag stelde aan een bezoekende natuurkundeprofessor.
De vraag van de jongen kwam niet voort uit lege ruimte, maar uit puur persoonlijke observaties van het proces van het koelen van ijsmengsels in de keuken. Natuurlijk maakten de klasgenoten die daar aanwezig waren, samen met de schoolleraar, Mpemba aan het lachen - maar na een experimentele test persoonlijk door professor D. Osborne 'verdampte' het verlangen om Erasto voor de gek te houden. Bovendien publiceerde Mpemba in 1969 samen met een professor een gedetailleerde beschrijving van dit effect in Physics Education - en sindsdien is bovengenoemde naam vastgelegd in de wetenschappelijke literatuur.
Wat is de essentie van het fenomeen?
De opzet van het experiment is vrij eenvoudig: als alle overige omstandigheden gelijk blijven, worden identieke dunwandige vaten getest, die strikt gelijke hoeveelheden water bevatten en alleen qua temperatuur verschillen. De vaten worden in de koelkast geladen, waarna de tijd tot ijsvorming in elk van hen wordt geregistreerd. De paradox is dat dit in een vat met een aanvankelijk hetere vloeistof sneller gebeurt.
Hoe verklaart de moderne natuurkunde dit?
De paradox heeft geen universele verklaring, aangezien verschillende parallelle processen samen plaatsvinden, waarvan de bijdrage kan variëren afhankelijk van de specifieke beginvoorwaarden - maar met een uniform resultaat:
- het vermogen van een vloeistof om aanvankelijk onderkoeld te raken koud water vatbaarder voor onderkoeling, d.w.z. blijft vloeibaar als de temperatuur al onder het vriespunt ligt
- versnelde koeling - stoom uit heet water wordt omgezet in ijsmicrokristallen, die, wanneer ze terugvallen, het proces versnellen en werken als een extra "externe warmtewisselaar"
- isolatie-effect - in tegenstelling tot warm water bevriest koud water van bovenaf, wat leidt tot een afname van de warmteoverdracht door convectie en straling
Er zijn een aantal andere verklaringen (de laatste keer dat de Britse Royal Society of Chemistry een wedstrijd voor de beste hypothese hield was onlangs, in 2012) - maar er is nog steeds geen eenduidige theorie voor alle gevallen van combinaties van invoervoorwaarden...
Het lijkt voor de hand te liggen dat koud water sneller bevriest dan warm water, omdat warm water onder gelijke omstandigheden langer nodig heeft om af te koelen en vervolgens te bevriezen. Duizenden jaren van observaties en moderne experimenten hebben echter aangetoond dat het tegenovergestelde ook waar is: onder bepaalde omstandigheden bevriest warm water sneller dan koud water. Het Sciencium Science Channel legt dit fenomeen uit:
Zoals uitgelegd in de video hierboven, staat het fenomeen waarbij warm water sneller bevriest dan koud water bekend als het Mpemba-effect, genoemd naar Erasto Mpemba, een Tanzaniaanse student die ijs maakte als onderdeel van een school project. Studenten moesten een mengsel van room en suiker aan de kook brengen, laten afkoelen en vervolgens in de vriezer leggen.
In plaats daarvan deed Erasto zijn mengsel er onmiddellijk heet in, zonder te wachten tot het was afgekoeld. Hierdoor was zijn mengsel na 1,5 uur al bevroren, maar de mengsels van de andere studenten niet. Geïnteresseerd in het fenomeen, begon Mpemba de kwestie te bestuderen met hoogleraar natuurkunde Denis Osborne, en in 1969 publiceerden ze een artikel waarin stond dat warm water sneller bevriest dan koud water. Dit was de eerste peer-reviewed studie in zijn soort, maar het fenomeen zelf wordt genoemd in de papieren van Aristoteles, die teruggaan tot de 4e eeuw voor Christus. e. Francis Bacon en Descartes merkten dit fenomeen ook op in hun studies.
De video bevat verschillende opties om uit te leggen wat er gebeurt:
- Vorst is een diëlektricum en daarom slaat ijskoud water de warmte beter op dan een warm glas, dat ijs doet smelten als het ermee in contact komt
- Koud water bevat meer opgeloste gassen dan warm water, en onderzoekers speculeren dat dit een rol kan spelen in de afkoelingssnelheid, hoewel het nog niet duidelijk is hoe
- Heet water verliest meer watermoleculen door verdamping, waardoor er minder watermoleculen overblijven om te bevriezen
- Warm water kan sneller afkoelen als gevolg van verhoogde convectiestromen. Deze stromingen ontstaan doordat het water in het glas eerst aan de oppervlakte en zijkanten afkoelt, waardoor koud water zinkt en heet water stijgt. In een warm glas zijn convectiestromen actiever, wat de afkoelsnelheid kan beïnvloeden.
In 2016 werd echter een zorgvuldig gecontroleerd onderzoek uitgevoerd waaruit het tegendeel bleek: warm water bevroor veel langzamer dan koud water. Tegelijkertijd merkten wetenschappers dat het veranderen van de locatie van het thermokoppel - een apparaat dat temperatuurveranderingen bepaalt - met slechts een centimeter leidt tot het optreden van het Mpemba-effect. Uit een onderzoek van andere soortgelijke onderzoeken bleek dat in alle gevallen waarin dit effect werd waargenomen, er sprake was van een verplaatsing van het thermokoppel binnen een centimeter.
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.
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? In het geval van koud water, die 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 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 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 koelproces 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 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 de vriezer wordt geplaatst. koelkamer in kleine containers. 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 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 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 grote mate af van de omstandigheden waaronder het experiment wordt uitgevoerd. Juist omdat het niet altijd wordt gereproduceerd.
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.
Een van mijn favoriete vakken op school was scheikunde. Eens gaf een scheikundeleraar ons een heel vreemde en moeilijke taak. Hij gaf ons een lijst met vragen die we moesten beantwoorden op het gebied van de chemie. We kregen voor deze taak meerdere dagen de tijd en mochten gebruik maken van bibliotheken en andere beschikbare informatiebronnen. Eén van deze vragen betrof het vriespunt van water. Ik weet niet meer precies hoe de vraag klonk, maar het ging erom dat als je twee houten emmers van dezelfde grootte neemt, de ene met heet water, de andere met koud water (met een nauwkeurig aangegeven temperatuur), en deze in een omgeving met een bepaalde temperatuur, welke zal Zullen ze sneller bevriezen? Het antwoord suggereerde natuurlijk meteen: een emmer koud water, maar wij vonden het te simpel. Maar dit was niet genoeg om een volledig antwoord te geven; we moesten het vanuit chemisch oogpunt bewijzen. Ondanks al mijn denkwerk en onderzoek kon ik niet tot een logische conclusie komen. Ik besloot die dag zelfs deze les over te slaan, dus ik heb de oplossing van dit raadsel nooit geleerd.
Jaren gingen voorbij en ik leerde veel alledaagse mythes kennen over het kook- en vriespunt van water, en één mythe luidde: ‘heet water bevriest sneller.’ Ik heb veel websites bekeken, maar de informatie was te tegenstrijdig. En dit waren slechts meningen, ongegrond vanuit wetenschappelijk oogpunt. En ik besloot te besteden eigen ervaring. Omdat ik geen houten emmers kon vinden, heb ik die gebruikt diepvries, een fornuis, wat water en een digitale thermometer. Ik zal je later vertellen over de resultaten van mijn ervaring. Eerst zal ik enkele interessante argumenten over water met je delen:
Heet water bevriest sneller dan koud water. De meeste experts zeggen dat koud water sneller zal bevriezen dan warm water. Maar één grappig fenomeen (het zogenaamde Memba-effect) bewijst om onbekende redenen het tegenovergestelde: warm water bevriest sneller dan koud water. Een van de vele verklaringen is het verdampingsproces: als zeer heet water in een koude omgeving wordt geplaatst, zal het water beginnen te verdampen (de resterende hoeveelheid water zal sneller bevriezen). En volgens de wetten van de scheikunde is dit helemaal geen mythe, en hoogstwaarschijnlijk is dit wat de leraar van ons wilde horen.
Gekookt water bevriest sneller kraanwater. Ondanks de eerdere verklaring beweren sommige experts dat gekookt water Wanneer het wordt afgekoeld tot kamertemperatuur, zou het sneller moeten bevriezen omdat koken de hoeveelheid zuurstof vermindert.
Koud water kookt sneller dan heet water. Als warm water sneller bevriest, kookt koud water misschien sneller! Dit is in strijd met het gezond verstand en wetenschappers zeggen dat dit eenvoudigweg niet waar kan zijn. Heet kraanwater zou eigenlijk sneller moeten koken dan koud water. Maar het gebruik van heet water om te koken bespaart geen energie. Je verbruikt misschien minder gas of licht, maar de boiler gebruikt evenveel energie als nodig is om koud water te verwarmen. (MET zonne energie dingen zijn een beetje anders). Als gevolg van het verwarmen van het water door de boiler kan er sediment ontstaan, waardoor het water langer nodig heeft om op te warmen.
Als je zout aan water toevoegt, kookt het sneller. Zout verhoogt het kookpunt (en verlaagt daarmee het vriespunt - daarom voegen sommige huisvrouwen een beetje steenzout aan hun ijs toe). Maar in dit geval zijn we geïnteresseerd in een andere vraag: hoe lang zal het water koken en of het kookpunt in dit geval boven de 100°C kan stijgen. Ondanks wat kookboeken zeggen, zeggen wetenschappers dat de hoeveelheid zout die we aan kokend water toevoegen niet voldoende is om de kooktijd of temperatuur te beïnvloeden.
Maar dit is wat ik heb:
Koud water: Ik heb drie glazen glazen van 100 ml gezuiverd water gebruikt: één glas met kamertemperatuur (22 °C/72 °F), één met heet water (46 °C/115 °F) en één met gekookt water (212 °C). °F/100 °C). Ik plaatste alle drie de glazen in de vriezer bij -18°C. En omdat ik wist dat water niet meteen in ijs zou veranderen, heb ik met een ‘houten vlotter’ de mate van bevriezing bepaald. Toen het stokje in het midden van het glas de bodem niet meer raakte, beschouwde ik het water als bevroren. Ik controleerde de bril elke vijf minuten. En wat zijn mijn resultaten? Het water in het eerste glas bevroor na 50 minuten. Heet water bevroor na 80 minuten. Gekookt - na 95 minuten. Mijn bevindingen: Gezien de omstandigheden in de vriezer en het water dat ik gebruikte, kon ik het Memba-effect niet reproduceren.
Ik heb dit experiment ook geprobeerd met eerder gekookt water dat was afgekoeld tot kamertemperatuur. Het bevroor binnen 60 minuten - het duurde nog steeds langer dan koud water om te bevriezen.
Gekookt water: ik nam een liter water op kamertemperatuur en zette het op het vuur. Het kookte in 6 minuten. Ik heb het vervolgens weer afgekoeld tot kamertemperatuur en eraan toegevoegd terwijl het heet was. Met hetzelfde vuur kookte heet water in 4 uur en 30 minuten. Conclusie: Zoals verwacht kookt heet water veel sneller.
Gekookt water (met zout): Ik heb 2 grote eetlepels keukenzout per 1 liter water toegevoegd. Het kookte in 6 minuten en 33 seconden en zoals de thermometer aangaf bereikte het een temperatuur van 102°C. Zout heeft ongetwijfeld invloed op het kookpunt, maar niet veel. Conclusie: zout in water heeft geen grote invloed op de temperatuur en kooktijd. Ik geef eerlijk toe dat mijn keuken nauwelijks een laboratorium kan worden genoemd, en misschien zijn mijn conclusies in tegenspraak met de werkelijkheid. Het kan zijn dat mijn vriezer het voedsel niet gelijkmatig invriest. Mijn glazen bril zou dat wel kunnen zijn onregelmatige vorm, Enz. Maar wat er ook gebeurt in het laboratorium, wanneer we praten over Als het gaat om het invriezen of koken van water in de keuken, is gezond verstand het allerbelangrijkste.
koppelen met interessante feiten over water, alles over water
zoals voorgesteld op het forum forum.ixbt.com, wordt dit effect (het effect van heet water dat sneller bevriest dan koud water) het “Aristoteles-Mpemba-effect” genoemd.
Die. Gekookt water (gekoeld) bevriest sneller dan “ruw” water
21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firstsev
« Welk water bevriest sneller, koud of warm?“- probeer je vrienden een vraag te stellen, de meesten van hen zullen hoogstwaarschijnlijk antwoorden dat koud water sneller bevriest - en ze zullen een fout maken.
Als je tegelijkertijd twee vaten met dezelfde vorm en hetzelfde volume in de vriezer plaatst, waarvan er één koud water bevat en de andere heet, dan zal het hete water sneller bevriezen.
Een dergelijke verklaring kan absurd en onredelijk lijken. Als je de logica volgt, moet warm water eerst afkoelen tot de temperatuur van koud water, en koud water zou op dit moment al in ijs moeten veranderen.
Dus waarom verslaat warm water koud water op weg naar het vriespunt? Laten we proberen het uit te zoeken.
Geschiedenis van observaties en onderzoek
Mensen hebben dit paradoxale effect al sinds de oudheid waargenomen, maar niemand hechtte er veel belang aan. Zo merkten Arestotle, evenals Rene Descartes en Francis Bacon, in hun aantekeningen de inconsistenties op in de snelheid van bevriezing van koud en warm water. Een ongewoon fenomeen verscheen vaak in het dagelijks leven.
Het fenomeen werd lange tijd op geen enkele manier bestudeerd en wekte niet veel belangstelling bij wetenschappers.
Het onderzoek naar dit ongewone effect begon in 1963, toen een nieuwsgierige schooljongen uit Tanzania, Erasto Mpemba, merkte dat warme melk voor ijs sneller bevroor dan koude melk. In de hoop een verklaring te krijgen voor de redenen voor het ongewone effect, vroeg de jongeman het aan zijn natuurkundeleraar op school. De leraar lachte hem echter alleen maar uit.
Later herhaalde Mpemba het experiment, maar in zijn experiment gebruikte hij geen melk meer, maar water, en het paradoxale effect herhaalde zich opnieuw.
Zes jaar later, in 1969, stelde Mpemba deze vraag aan natuurkundeprofessor Dennis Osborn, die naar zijn school kwam. De professor was geïnteresseerd in de observatie van de jongeman en als gevolg daarvan werd een experiment uitgevoerd dat de aanwezigheid van het effect bevestigde, maar de redenen voor dit fenomeen waren niet vastgesteld.
Sindsdien wordt het fenomeen genoemd Mpemba-effect.
Door de geschiedenis heen van wetenschappelijke observaties zijn er veel hypothesen naar voren gebracht over de oorzaken van het fenomeen.
Dus in 2012 zou de Britse Royal Society of Chemistry een wedstrijd van hypothesen aankondigen die het Mpemba-effect verklaren. Wetenschappers van over de hele wereld namen deel aan de wedstrijd, in totaal waren er 22.000 geregistreerd wetenschappelijke werken. Ondanks zo’n indrukwekkend aantal artikelen bracht geen van hen duidelijkheid in de Mpemba-paradox.
De meest voorkomende versie was volgens welke heet water sneller bevriest, omdat het simpelweg sneller verdampt, het volume kleiner wordt en naarmate het volume afneemt, de koelsnelheid toeneemt. De meest voorkomende versie werd uiteindelijk weerlegd omdat er een experiment werd uitgevoerd waarbij verdamping werd uitgesloten, maar het effect toch werd bevestigd.
Andere wetenschappers geloofden dat de oorzaak van het Mpemba-effect de verdamping van in water opgeloste gassen was. Naar hun mening verdampen tijdens het verwarmingsproces in water opgeloste gassen, waardoor het meer verkrijgt hoge dichtheid dan koud. Zoals bekend leidt een toename van de dichtheid tot een verandering fysieke eigenschappen water (verhoogde thermische geleidbaarheid), en dus een toename van de afkoelsnelheid.
Bovendien zijn er een aantal hypothesen naar voren gebracht die de snelheid van de watercirculatie beschrijven, afhankelijk van de temperatuur. In veel onderzoeken is geprobeerd de relatie vast te stellen tussen het materiaal van de containers waarin de vloeistof zich bevond. Veel theorieën leken zeer plausibel, maar konden niet wetenschappelijk worden bevestigd vanwege een gebrek aan initiële gegevens, tegenstrijdigheden in andere experimenten of omdat de geïdentificeerde factoren simpelweg niet vergelijkbaar waren met de snelheid waarmee water afkoelt. Sommige wetenschappers trokken in hun werken het bestaan van het effect in twijfel.
In 2013 ontdekten onderzoekers van Universiteit van Technologie Nanyang Singapore zei dat ze het mysterie van het Mpemba-effect hadden opgelost. Volgens hun onderzoek ligt de reden voor het fenomeen in het feit dat de hoeveelheid energie die is opgeslagen in waterstofbruggen tussen koude en warme watermoleculen aanzienlijk verschillend is.
Computermodelleringsmethoden lieten de volgende resultaten zien: hoe hoger de watertemperatuur, hoe groter de afstand tussen de moleculen vanwege het feit dat de afstotende krachten toenemen. Als gevolg daarvan strekken de waterstofbruggen van moleculen zich uit, waardoor meer energie wordt opgeslagen. Bij afkoeling beginnen de moleculen dichter naar elkaar toe te bewegen, waarbij energie vrijkomt uit waterstofbruggen. In dit geval gaat het vrijkomen van energie gepaard met een temperatuurdaling.
In oktober 2017 ontdekten Spaanse natuurkundigen in de loop van een ander onderzoek dat een belangrijke rol bij de vorming van het effect wordt gespeeld door het verwijderen van een stof uit evenwicht (sterke verwarming vóór sterke afkoeling). Zij bepaalden onder welke omstandigheden de kans op het optreden van het effect maximaal is. Bovendien bevestigden wetenschappers uit Spanje het bestaan van het omgekeerde Mpemba-effect. Ze ontdekten dat bij verhitting een kouder monster kon bereiken hoge temperatuur sneller dan warm.
Ondanks uitgebreide informatie en talloze experimenten zijn wetenschappers van plan het effect te blijven bestuderen.
Mpemba-effect in het echte leven
Heb je je ooit afgevraagd waarom wintertijd Is de schaatsbaan gevuld met warm water en niet met koud water? Zoals je al begrijpt, doen ze dit omdat een ijsbaan gevuld met heet water sneller zal bevriezen dan wanneer deze gevuld zou zijn met koud water. Om dezelfde reden wordt in winterse ijssteden heet water in de glijbanen gegoten.
Door kennis van het bestaan van het fenomeen kunnen mensen dus tijd besparen bij het voorbereiden van sites winter soorten sport-
Daarnaast wordt het Mpemba-effect in de industrie soms gebruikt om de vriestijd van producten, stoffen en materialen die water bevatten te verkorten.