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Erscheinungsdatum: 21.11.2017

« Welches Wasser gefriert schneller kalt oder heiß?"- versuchen Sie, Ihren Freunden eine Frage zu stellen, höchstwahrscheinlich werden die meisten antworten, dass kaltes Wasser schneller gefriert - und einen Fehler machen.

Wenn Sie gleichzeitig zwei Gefäße mit der gleichen Form und dem gleichen Volumen in den Gefrierschrank stellen, von denen eines kaltes und das andere heißes Wasser enthält, gefriert es schneller. Heißes Wasser.

Eine solche Aussage mag absurd und unvernünftig erscheinen. Logischerweise muss heißes Wasser erst auf kalte Temperatur abkühlen und kaltes Wasser sollte sich zu diesem Zeitpunkt bereits in Eis verwandeln.

Warum also überholt heißes Wasser kaltes Wasser auf dem Weg zum Gefrierpunkt? Versuchen wir es herauszufinden.

Beobachtungs- und Forschungsgeschichte

Menschen haben den paradoxen Effekt seit der Antike beobachtet, aber niemand hat ihm viel Bedeutung beigemessen. So wurden sowohl von Arestotel als auch von Rene Descartes und Francis Bacon Inkonsistenzen in der Gefrierrate von kaltem und heißem Wasser in ihren Notizen festgestellt. Ein ungewöhnliches Phänomen manifestierte sich oft im Alltag.

Lange Zeit wurde das Phänomen in keiner Weise untersucht und weckte bei Wissenschaftlern kein großes Interesse.

Die Untersuchung des ungewöhnlichen Effekts begann 1963, als ein neugieriger Student aus Tansania, Erasto Mpemba, bemerkte, dass heiße Milch für Eiscreme schneller gefriert als kalte Milch. In der Hoffnung, eine Erklärung für die Gründe für den ungewöhnlichen Effekt zu bekommen, fragte der junge Mann seinen Physiklehrer in der Schule. Der Lehrer lachte ihn jedoch nur aus.

Später wiederholte Mpemba das Experiment, aber in seinem Experiment verwendete er keine Milch mehr, sondern Wasser, und der paradoxe Effekt wiederholte sich erneut.

Sechs Jahre später, 1969, stellte Mpemba diese Frage dem Physikprofessor Dennis Osborne, der an seine Schule kam. Der Professor war an der Beobachtung des jungen Mannes interessiert, als Ergebnis wurde ein Experiment durchgeführt, das das Vorhandensein des Effekts bestätigte, aber die Gründe für dieses Phänomen wurden nicht festgestellt.

Seitdem heißt das Phänomen Mpemba-Effekt.

In der Geschichte der wissenschaftlichen Beobachtungen wurden viele Hypothesen über die Ursachen des Phänomens aufgestellt.

So kündigte die britische Royal Society of Chemistry 2012 einen Hypothesenwettbewerb zur Erklärung des Mpemba-Effekts an. An dem Wettbewerb nahmen Wissenschaftler aus aller Welt teil, insgesamt waren 22.000 angemeldet wissenschaftliche Arbeiten. Trotz einer so beeindruckenden Anzahl von Artikeln konnte keiner das Mpemba-Paradoxon klären.

Am gebräuchlichsten war die Version, wonach heißes Wasser schneller gefriert, da es einfach schneller verdunstet, sein Volumen kleiner wird und mit abnehmendem Volumen seine Abkühlgeschwindigkeit zunimmt. Die gängigste Version wurde schließlich widerlegt, da ein Experiment durchgeführt wurde, bei dem die Verdunstung ausgeschlossen, die Wirkung aber dennoch bestätigt wurde.

Andere Wissenschaftler glaubten, der Grund für den Mpemba-Effekt sei die Verdunstung von im Wasser gelösten Gasen. Ihrer Meinung nach verdampfen während des Erwärmungsprozesses im Wasser gelöste Gase, wodurch es eine höhere Dichte als kaltes Wasser erhält. Bekanntlich führt eine Zunahme der Dichte zu einer Veränderung physikalische Eigenschaften Wasser (Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) und damit die Abkühlgeschwindigkeit erhöhen.

Darüber hinaus wurde eine Reihe von Hypothesen aufgestellt, die die Geschwindigkeit der Wasserzirkulation als Funktion der Temperatur beschreiben. In vielen Studien wurde versucht, den Zusammenhang zwischen dem Material der Behälter, in denen sich die Flüssigkeit befand, herzustellen. Viele Theorien schienen sehr plausibel, konnten aber aufgrund fehlender erster Daten, Widersprüche in anderen Experimenten oder aufgrund der Tatsache, dass die identifizierten Faktoren einfach nicht mit der Geschwindigkeit der Wasserkühlung vergleichbar waren, wissenschaftlich nicht bestätigt werden. Einige Wissenschaftler stellten in ihren Arbeiten die Existenz des Effekts in Frage.

Im Jahr 2013 haben Forscher aus Technische Universität Nanyang in Singapur behauptete, das Rätsel des Mpemba-Effekts gelöst zu haben. Der Grund für das Phänomen liegt laut ihrer Studie darin, dass die gespeicherte Energiemenge in Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen von kaltem und heißem Wasser ist signifikant unterschiedlich.

Computersimulationsmethoden haben folgende Ergebnisse gezeigt: Je höher die Temperatur des Wassers, desto größer der Abstand zwischen den Molekülen, da die Abstoßungskräfte zunehmen. Folglich werden die Wasserstoffbrückenbindungen von Molekülen gedehnt, wodurch mehr Energie gespeichert wird. Beim Abkühlen beginnen sich die Moleküle einander zu nähern und setzen dabei Energie aus Wasserstoffbrückenbindungen frei. In diesem Fall geht die Energiefreisetzung mit einer Temperaturabnahme einher.

Spanische Physiker fanden im Oktober 2017 im Rahmen einer weiteren Studie heraus, dass die Entfernung von Materie aus dem Gleichgewicht (starke Erwärmung vor starker Abkühlung) eine große Rolle bei der Entstehung des Effekts spielt. Sie bestimmten die Bedingungen, unter denen die Wahrscheinlichkeit des Effekts maximal ist. Darüber hinaus haben Wissenschaftler aus Spanien die Existenz des umgekehrten Mpemba-Effekts bestätigt. Sie fanden heraus, dass eine kältere Probe beim Erhitzen schneller eine hohe Temperatur erreichen kann als eine warme.

Trotz umfassender Informationen und zahlreicher Experimente wollen die Wissenschaftler die Wirkung weiter untersuchen.

Mpemba-Effekt im wirklichen Leben

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum die Eisbahn im Winter überflutet wird? heißes Wasser und nicht kalt? Wie Sie bereits verstanden haben, tun sie dies, weil eine mit heißem Wasser gefüllte Eisbahn schneller gefriert, als wenn sie mit kaltem Wasser gefüllt wäre. Aus dem gleichen Grund werden Rutschen in winterlichen Eisstädten mit heißem Wasser übergossen.

Das Wissen um die Existenz des Phänomens ermöglicht es den Menschen, Zeit bei der Vorbereitung von Orten für den Wintersport zu sparen.

Darüber hinaus wird der Mpemba-Effekt manchmal in der Industrie genutzt - um die Gefrierzeit von wasserhaltigen Produkten, Stoffen und Materialien zu verkürzen.

Mpemba-Effekt(Mpemba-Paradoxon) ist ein Paradoxon, das besagt, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, obwohl es beim Gefrieren die Temperatur von kaltem Wasser passieren muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den gängigen Vorstellungen widerspricht, wonach unter gleichen Bedingungen ein heißerer Körper mehr Zeit braucht, um sich auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein kühlerer Körper, um sich auf dieselbe Temperatur abzukühlen.

Dieses Phänomen wurde seinerzeit von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt, aber erst 1963 fand der tansanische Schüler Erasto Mpemba heraus, dass eine heiße Eismischung schneller gefriert als eine kalte.

Als Schüler der Magamba weiterführende Schule in Tansania tat es Erasto Mpemba praktische Arbeit in der Kochkunst. Er musste hausgemachtes Eis machen - Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen und dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und zögerte den ersten Teil der Aufgabe hinaus. Aus Angst, am Ende der Stunde nicht rechtzeitig zu sein, stellte er die noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie sogar früher als die nach einer bestimmten Technologie zubereitete Milch seiner Kameraden.

Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit gewöhnlichem Wasser. Jedenfalls fragte er, bereits Schüler der Mkvava High School, Professor Dennis Osborne vom University College in Dar es Salaam (auf Einladung des Direktors der Schule, den Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) zum Thema Wasser: „Wenn Sie nehmen zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, sodass das Wasser in einem von ihnen eine Temperatur von 35 ° C und in dem anderen von 100 ° C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten schneller Warum? Osborne interessierte sich für diese Frage und bald veröffentlichten sie 1969 zusammen mit Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift "Physics Education". Seitdem heißt der von ihnen entdeckte Effekt Mpemba-Effekt.

Bis jetzt weiß niemand genau, wie man diesen seltsamen Effekt erklären kann. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber noch ist nicht klar, welche Eigenschaften dabei eine Rolle spielen: der Unterschied bei Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder die Wirkung von verflüssigten Gasen auf Wasser unterschiedliche Temperaturen.

Das Paradoxe am Mpemba-Effekt ist, dass die Zeit, in der sich der Körper auf Umgebungstemperatur abkühlt, proportional zur Temperaturdifferenz zwischen diesem Körper und der Umgebung sein muss. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Ebenso kühlt Wasser bei 100°C schneller auf 0°C ab als die gleiche Menge Wasser bei 35°C.

Dies impliziert jedoch noch kein Paradoxon, da der Mpemba-Effekt auch innerhalb der bekannten Physik erklärt werden kann. Hier einige Erklärungen zum Mpemba-Effekt:

Verdunstung

Heißes Wasser verdunstet schneller aus dem Behälter, wodurch sein Volumen verringert wird, und ein kleineres Wasservolumen mit derselben Temperatur gefriert schneller. Auf 100 °C erhitztes Wasser verliert 16 % seiner Masse, wenn es auf 0 °C abgekühlt wird.

Der Verdunstungseffekt ist ein Doppeleffekt. Erstens wird die zum Kühlen benötigte Wassermasse reduziert. Und zweitens sinkt die Temperatur aufgrund der Tatsache, dass die Verdampfungswärme beim Übergang von der Wasserphase in die Dampfphase abnimmt.

Temperaturunterschied

Dadurch, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist der Wärmeaustausch in diesem Fall intensiver und heißes Wasser kühlt schneller ab.

Unterkühlung

Wenn Wasser unter 0 C gekühlt wird, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es unterkühlen, bleibt aber bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig. In einigen Fällen kann Wasser auch bei -20 C flüssig bleiben.

Der Grund für diesen Effekt ist, dass Kristallbildungszentren benötigt werden, damit sich die ersten Eiskristalle bilden können. Wenn sie sich nicht in flüssigem Wasser befinden, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit abfällt, dass sich spontan Kristalle bilden. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, wachsen sie schneller und bilden einen Eisbrei, der zu Eis gefriert.

Heißes Wasser ist am anfälligsten für Unterkühlung, da durch Erhitzen gelöste Gase und Blasen entfernt werden, die wiederum als Zentren für die Bildung von Eiskristallen dienen können.

Warum lässt heißes Wasser durch Unterkühlung schneller gefrieren? Bei kaltem Wasser, das nicht unterkühlt ist, tritt Folgendes auf. In diesem Fall bildet sich eine dünne Eisschicht auf der Oberfläche des Gefäßes. Diese Eisschicht dient als Isolator zwischen Wasser und kalter Luft und verhindert eine weitere Verdunstung. Die Bildungsrate von Eiskristallen ist in diesem Fall geringer. Im Falle von heißem Wasser, das einer Unterkühlung unterzogen wird, hat das unterkühlte Wasser keine schützende Oberflächenschicht aus Eis. Daher verliert es durch die offene Oberseite viel schneller Wärme.

Wenn der Unterkühlungsprozess endet und das Wasser gefriert, geht viel mehr Wärme verloren und es bildet sich daher mehr Eis.

Viele Forscher dieses Effekts halten Unterkühlung für den Hauptfaktor beim Mpemba-Effekt.

Konvektion

Kaltes Wasser beginnt von oben zu gefrieren, wodurch die Prozesse der Wärmestrahlung und -konvektion und damit der Wärmeverlust verschlechtert werden, während heißes Wasser von unten zu gefrieren beginnt.

Dieser Effekt wird durch eine Anomalie in der Dichte des Wassers erklärt. Wasser hat eine maximale Dichte bei 4 C. Wenn Sie Wasser auf 4 C abkühlen und es auf eine niedrigere Temperatur bringen, gefriert die Wasseroberfläche schneller. Da dieses Wasser eine geringere Dichte als Wasser bei 4 °C hat, bleibt es an der Oberfläche und bildet eine dünne Kälteschicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich für kurze Zeit eine dünne Eisschicht auf der Wasseroberfläche, die jedoch als Isolator die unteren Wasserschichten schützt, die eine Temperatur von 4 ° C haben. Daher , erfolgt die weitere Abkühlung langsamer.

Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund von Verdunstung und einem größeren Temperaturunterschied schneller ab. Außerdem sind Kaltwasserschichten dichter als Heißwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche hebt. Diese Zirkulation des Wassers sorgt für einen schnellen Temperaturabfall.

Aber warum erreicht dieser Prozess nicht den Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt unter diesem Konvektionsgesichtspunkt zu erklären, müsste angenommen werden, dass die kalten und heißen Wasserschichten getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst fortgesetzt wird, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 ° C gefallen ist.

Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise für diese Hypothese, dass kalte und heiße Wasserschichten durch Konvektion getrennt sind.

in Wasser gelöste Gase

Wasser enthält immer darin gelöste Gase - Sauerstoff und Kohlendioxid. Diese Gase haben die Fähigkeit, den Gefrierpunkt von Wasser zu senken. Beim Erhitzen des Wassers werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hoher Temperatur geringer ist. Beim Abkühlen von heißem Wasser befinden sich daher immer weniger gelöste Gase als in unbeheiztem Kaltwasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als der Hauptfaktor für die Erklärung des Mpemba-Effekts angesehen, obwohl es keine experimentellen Daten gibt, die diese Tatsache bestätigen.

Wärmeleitfähigkeit

Dieser Mechanismus kann eine bedeutende Rolle spielen, wenn Wasser in kleinen Behältern in einen Kühlschrank mit Gefrierfach gegeben wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass der Behälter mit heißem Wasser das Eis des Gefrierschranks darunter schmilzt, wodurch der Wärmekontakt mit der Wand des Gefrierschranks und die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden. Dadurch wird dem Warmwasserbehälter schneller Wärme entzogen als dem kalten. Der Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt keinen Schnee darunter.

Alle diese (sowie andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, welche von ihnen eine 100%ige Reproduktion des Mpemba-Effekts liefern, wurde nicht erhalten.

So untersuchte beispielsweise der deutsche Physiker David Auerbach 1995 den Einfluss der Unterkühlung von Wasser auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, das einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als letzteres. Aber kaltes Wasser erreicht den unterkühlten Zustand schneller als heißes Wasser und kompensiert dadurch die vorherige Verzögerung.

Außerdem widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, dass heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen kann. Wenn Wasser erhitzt wird, werden darin gelöste Gase daraus entfernt, und wenn es gekocht wird, fallen einige darin gelöste Salze aus.

Bisher kann nur eines behauptet werden – die Reproduktion dieses Effekts hängt wesentlich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Wasser ist eine der erstaunlichsten Flüssigkeiten der Welt, die es gibt ungewöhnliche Eigenschaften. Zum Beispiel hat Eis - ein fester flüssiger Zustand - ein geringeres spezifisches Gewicht als Wasser selbst, was die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde in vielerlei Hinsicht ermöglichte. Darüber hinaus in der Nähe von Wissenschaft und wissenschaftliche Welt Es gibt Diskussionen darüber, welches Wasser schneller gefriert - heiß oder kalt. Wer unter bestimmten Bedingungen ein schnelleres Einfrieren einer heißen Flüssigkeit nachweist und seine Entscheidung wissenschaftlich begründet, erhält von der britischen Royal Society of Chemists eine Auszeichnung in Höhe von 1.000 £.

Hintergrund

Dass heißes Wasser kaltem Wasser in Bezug auf die Gefriergeschwindigkeit unter einigen Bedingungen voraus ist, wurde bereits im Mittelalter bemerkt. Francis Bacon und René Descartes haben sich viel Mühe gegeben, dieses Phänomen zu erklären. Aus Sicht der klassischen Wärmetechnik ist dieses Paradoxon jedoch nicht zu erklären, und man versuchte es verschämt zu vertuschen. Den Anstoß für die Fortsetzung des Streits gab eine etwas kuriose Geschichte, die dem tansanischen Schuljungen Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) im Jahr 1963 widerfuhr. Einmal, während einer Dessert-Zubereitungsstunde in einer Kochschule, hatte ein Junge, der von anderen Dingen abgelenkt war, keine Zeit, die Eiscreme-Mischung rechtzeitig abzukühlen und eine Lösung aus Zucker in heißer Milch in den Gefrierschrank zu stellen. Zu seiner Überraschung kühlte das Produkt etwas schneller ab als seine Mitpraktizierenden, die das Temperaturregime für die Herstellung von Eiscreme einhielten.

Um die Essenz des Phänomens zu verstehen, wandte sich der Junge an einen Physiklehrer, der sich, ohne ins Detail zu gehen, über seine kulinarischen Experimente lustig machte. Erasto zeichnete sich jedoch durch beneidenswerte Ausdauer aus und setzte seine Experimente nicht mehr mit Milch, sondern mit Wasser fort. Er sorgte dafür, dass heißes Wasser in manchen Fällen schneller gefriert als kaltes Wasser.

Beim Eintritt in die Universität von Daressalam hörte Erasto Mpembe einen Vortrag von Professor Dennis G. Osborne. Nach dem Abschluss verwirrte der Student den Wissenschaftler mit dem Problem der Gefriergeschwindigkeit von Wasser in Abhängigkeit von seiner Temperatur. DG Osborne machte sich über die bloße Fragestellung lustig und erklärte mit Gelassenheit, dass jeder Verlierer weiß, dass kaltes Wasser schneller gefriert. Allerdings machte sich die natürliche Hartnäckigkeit des jungen Mannes bemerkbar. Er wettete mit dem Professor und bot an, hier im Labor einen experimentellen Test durchzuführen. Erasto stellte zwei Behälter mit Wasser in den Gefrierschrank, einen mit 35 °C (95 °F) und den anderen mit 100 °C (212 °F). Was war die Überraschung des Professors und der umliegenden "Fans", als das Wasser im zweiten Behälter schneller gefror. Seitdem wird dieses Phänomen als „Mpemba-Paradoxon“ bezeichnet.

Bis heute gibt es jedoch keine kohärente theoretische Hypothese zur Erklärung des „Mpemba-Paradoxons“. Es ist nicht klar, welche externen Faktoren chemische Zusammensetzung Wasser, das Vorhandensein von darin gelösten Gasen und Mineralien beeinflussen die Gefriergeschwindigkeit von Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen. Das Paradoxe am „Mpemba-Effekt“ ist, dass er einem der von I. Newton entdeckten Gesetze widerspricht, wonach die Abkühlzeit von Wasser direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Umgebung ist. Und wenn alle anderen Flüssigkeiten diesem Gesetz vollständig unterliegen, dann ist Wasser in manchen Fällen eine Ausnahme.

Warum gefriert heißes Wasser schneller?t

Es gibt mehrere Versionen, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Die wichtigsten sind:

• heißes Wasser verdunstet schneller, während sein Volumen abnimmt und ein kleineres Flüssigkeitsvolumen schneller abkühlt - wenn Wasser von + 100 ° C auf 0 ° C abgekühlt wird, erreichen die Volumenverluste bei atmosphärischem Druck 15%;
• die Wärmeaustauschrate zwischen der Flüssigkeit und Umgebung Je höher, desto größer ist der Temperaturunterschied, sodass der Wärmeverlust von kochendem Wasser schneller abläuft.
• Wenn heißes Wasser abkühlt, bildet sich auf seiner Oberfläche eine Eiskruste, die verhindert, dass die Flüssigkeit vollständig gefriert und verdunstet.
• Bei einer hohen Wassertemperatur tritt eine Konvektionsmischung auf, wodurch die Gefrierzeit verkürzt wird.
• In Wasser gelöste Gase senken den Gefrierpunkt und verbrauchen Energie für die Kristallbildung - es gibt keine gelösten Gase in heißem Wasser.

Alle diese Bedingungen wurden einer wiederholten experimentellen Überprüfung unterzogen. Insbesondere der deutsche Wissenschaftler David Auerbach fand heraus, dass die Kristallisationstemperatur von heißem Wasser etwas höher ist als die von kaltem Wasser, was es ermöglicht, ersteres schneller einzufrieren. Später wurden seine Experimente jedoch kritisiert und viele Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass der „Mpemba-Effekt“, über den Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt – nur unter bestimmten Bedingungen reproduziert werden kann, die bisher niemand gesucht und konkretisiert hat.

Die British Royal Society of Chemistry bietet jedem, der etwas erklären kann, eine Belohnung von 1.000 £ wissenschaftlicher Punkt Sehen Sie, warum heißes Wasser in manchen Fällen schneller gefriert als kaltes Wasser.

„Die moderne Wissenschaft kann diese scheinbar einfache Frage immer noch nicht beantworten. Eishersteller und Barkeeper nutzen diesen Effekt in ihrer täglichen Arbeit, aber niemand weiß wirklich, warum er funktioniert. Dieses Problem ist seit Jahrtausenden bekannt, Philosophen wie Aristoteles und Descartes haben sich Gedanken darüber gemacht“, wird der Präsident der britischen Royal Society of Chemistry, Professor David Philips, in einer Pressemitteilung der Gesellschaft zitiert.

Wie ein afrikanischer Koch einen britischen Physikprofessor besiegt

Dies ist kein Aprilscherz, sondern eine harte physische Realität. Die heutige Wissenschaft, die problemlos mit Galaxien und Schwarzen Löchern arbeitet und riesige Beschleuniger baut, um nach Quarks und Bosonen zu suchen, kann nicht erklären, wie elementares Wasser „funktioniert“. Das Schulbuch besagt eindeutig, dass es länger dauert, einen heißen Körper abzukühlen, als einen kalten Körper abzukühlen. Aber für Wasser wird dieses Gesetz nicht immer eingehalten. Aristoteles machte im 4. Jahrhundert v. Chr. auf dieses Paradoxon aufmerksam. e. Hier ist, was er geschrieben hat Altgriechisch in Meteorologica I: „Die Tatsache, dass das Wasser vorgewärmt wird, trägt zu seinem Gefrieren bei. Deshalb stellen viele Menschen, wenn sie heißes Wasser schnell abkühlen wollen, es zuerst in die Sonne ... “Im Mittelalter versuchten Francis Bacon und Rene Descartes, dieses Phänomen zu erklären. Leider ist dies und damit auch dies weder den großen Philosophen noch den zahlreichen Wissenschaftlern gelungen, die die klassische thermische Physik entwickelt haben unbequeme Tatsache lange "vergessen".

Und erst 1968 „erinnerten“ sie sich dank des Schuljungen Erasto Mpemba aus Tansania fernab jeglicher Wissenschaft. Während seines Studiums an einer Kochschule erhielt der 13-jährige Mpembe 1963 die Aufgabe, Eis zu machen. Gemäß der Technologie war es notwendig, Milch zu kochen, Zucker darin aufzulösen, auf Raumtemperatur abzukühlen und dann zum Einfrieren in den Kühlschrank zu stellen. Offenbar war Mpemba kein fleißiger Schüler und zögerte. Aus Angst, am Ende der Stunde nicht rechtzeitig zu sein, stellte er die noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie sogar früher als die nach allen Regeln zubereitete Milch seiner Kameraden.

Als Mpemba seine Entdeckung einem Physiklehrer mitteilte, machte er sich vor der ganzen Klasse über ihn lustig. Mpemba erinnerte sich an die Beleidigung. Fünf Jahre später, bereits Student an der Universität von Daressalam, war er bei einem Vortrag des berühmten Physikers Denis G. Osborne. Nach dem Vortrag stellte er dem Wissenschaftler eine Frage: „Nehmen Sie zwei identische Behälter mit der gleichen Menge Wasser, einen mit 35 °C (95 °F) und den anderen mit 100 °C (212 °F), und stellen Sie ihn hin in den Gefrierschrank, dann gefriert Wasser in einem heißen Behälter schneller. Wieso den?" Sie können sich die Reaktion eines britischen Professors auf die Frage eines jungen Mannes aus dem gottverlassenen Tansania vorstellen. Er machte sich über den Schüler lustig. Mpemba war jedoch bereit für eine solche Antwort und forderte den Wissenschaftler zu einer Wette heraus. Ihre Auseinandersetzung gipfelte in einem experimentellen Test, der Mpemba recht gab und Osborne besiegte. Damit schrieb sich der Studentenkocher in die Wissenschaftsgeschichte ein, und fortan wird dieses Phänomen als „Mpemba-Effekt“ bezeichnet. Es zu verwerfen, es als "nicht existent" zu deklarieren, funktioniert nicht. Das Phänomen existiert und, wie der Dichter schrieb, "nicht im Zahn mit einem Fuß".

Sind Staubpartikel und gelöste Stoffe schuld?

Im Laufe der Jahre haben viele versucht, das Geheimnis des gefrierenden Wassers zu lüften. Eine ganze Reihe von Erklärungen für dieses Phänomen wurden vorgeschlagen: Verdunstung, Konvektion, der Einfluss von gelösten Stoffen – aber keiner dieser Faktoren kann als endgültig angesehen werden. Etliche Wissenschaftler haben ihr ganzes Leben dem Mpemba-Effekt gewidmet. Mitarbeiter der Abteilung Strahlenschutz Staatliche Universität New York - James Brownridge - in Freizeit studiert das Paradoxon seit über einem Jahrzehnt. Nach Hunderten von Experimenten behauptet der Wissenschaftler, er habe Beweise für die "Schuld" der Unterkühlung. Brownridge erklärt, dass Wasser bei 0 °C nur unterkühlt und zu gefrieren beginnt, wenn die Temperatur darunter fällt. Der Gefrierpunkt wird durch Verunreinigungen im Wasser reguliert - sie verändern die Bildungsgeschwindigkeit von Eiskristallen. Verunreinigungen, und das sind Staubpartikel, Bakterien und gelöste Salze, haben ihre charakteristische Keimbildungstemperatur, wenn sich um die Kristallisationszentren herum Eiskristalle bilden. Wenn mehrere Elemente gleichzeitig im Wasser vorhanden sind, wird der Gefrierpunkt durch dasjenige mit der höchsten Keimbildungstemperatur bestimmt.

Für das Experiment nahm Brownridge zwei Wasserproben mit der gleichen Temperatur und stellte sie in einen Gefrierschrank. Er stellte fest, dass eines der Exemplare immer vor dem anderen einfriert – vermutlich aufgrund andere Kombination Verunreinigungen.

Brownridge behauptet, dass heißes Wasser aufgrund des größeren Temperaturunterschieds zwischen dem Wasser und dem Gefrierschrank schneller abkühlt – dies hilft ihm, seinen Gefrierpunkt zu erreichen, bevor kaltes Wasser seinen natürlichen Gefrierpunkt erreicht, der mindestens 5 °C niedriger liegt.

Die Argumentation von Brownridge wirft jedoch viele Fragen auf. Wer also den Mpemba-Effekt auf seine Weise erklären kann, hat die Chance, bei der britischen Royal Society of Chemistry um tausend Pfund Sterling zu konkurrieren.

Viele Forscher haben und bringen ihre eigenen Versionen vor, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Es scheint paradox, denn um zu gefrieren, muss heißes Wasser erst abkühlen. Die Tatsache bleibt jedoch bestehen, und Wissenschaftler erklären sie auf unterschiedliche Weise.

Auf der dieser Moment Es gibt mehrere Versionen, die diese Tatsache erklären:

1. Da die Verdunstung in heißem Wasser schneller ist, nimmt sein Volumen ab. Eine kleinere Menge Wasser gleicher Temperatur gefriert schneller.
2. Das Gefrierfach des Kühlschranks hat eine Schneeauskleidung. Ein Behälter mit heißem Wasser schmilzt den Schnee darunter. Dies verbessert den thermischen Kontakt mit dem Gefriergerät.
3. Das Einfrieren von kaltem Wasser beginnt im Gegensatz zu heißem von oben. In diesem Fall verschlechtern sich Konvektion und Wärmestrahlung und folglich der Wärmeverlust.
4. In kaltem Wasser gibt es Kristallisationszentren - darin gelöste Substanzen. Bei einem geringen Gehalt an ihnen in Wasser ist das Vereisen schwierig, obwohl gleichzeitig eine Unterkühlung möglich ist - wenn es bei Minusgraden einen flüssigen Zustand hat.

Obwohl man fairerweise sagen kann, dass dieser Effekt nicht immer beobachtet wird. Kaltes Wasser gefriert oft schneller als heißes Wasser.

Bei welcher temperatur gefriert wasser

Warum gefriert Wasser überhaupt? Es enthält eine gewisse Menge an mineralischen oder organischen Partikeln. Dies können zum Beispiel sehr feine Sand-, Staub- oder Lehmpartikel sein. Wenn die Lufttemperatur sinkt, werden diese Partikel zu Zentren, um die sich Eiskristalle bilden.

Die Rolle von Kristallisationskeimen können auch Luftblasen und Risse in einem Wasser enthaltenden Behälter übernehmen. Die Geschwindigkeit des Umwandlungsprozesses von Wasser in Eis wird stark von der Anzahl solcher Zentren beeinflusst - wenn es viele davon gibt, gefriert die Flüssigkeit schneller. Unter normalen Bedingungen, mit normal Luftdruck, Wasser geht bei einer Temperatur von 0 Grad aus einer Flüssigkeit in einen festen Zustand über.

Die Essenz des Mpemba-Effekts

Der Mpemba-Effekt wird als Paradox verstanden, dessen Kern darin besteht, dass heißes Wasser unter Umständen schneller gefriert als kaltes Wasser. Dieses Phänomen wurde von Aristoteles und Descartes bemerkt. Allerdings stellte Erasto Mpemba, ein Schuljunge aus Tansania, erst 1963 fest, dass heißes Eis mehr als gefriert eine kurze Zeit als kalt. Er kam zu einer solchen Schlussfolgerung, während er die Aufgabe des Kochens ausführte.

Er musste Zucker in gekochter Milch auflösen und nach dem Abkühlen in den Kühlschrank stellen, um ihn einzufrieren. Anscheinend unterschied sich Mpemba nicht in besonderer Sorgfalt und begann spät mit der Ausführung des ersten Teils der Aufgabe. Deshalb wartete er nicht, bis die Milch abgekühlt war, sondern stellte sie heiß in den Kühlschrank. Er war sehr überrascht, als es noch schneller einfror als das seiner Klassenkameraden, die die Arbeit gemäß der gegebenen Technologie erledigten.

Diese Tatsache interessierte den jungen Mann sehr und er begann mit einfachen Wasserversuchen. 1969 veröffentlichte die Zeitschrift Physics Education die Forschungsergebnisse von Mpemba und Professor Dennis Osborn von der Universität Dar es Salaam. Der von ihnen beschriebene Effekt erhielt den Namen Mpemba. Bis heute gibt es jedoch keine eindeutige Erklärung für das Phänomen. Alle Wissenschaftler sind sich einig, dass die Hauptrolle dabei den Unterschieden in den Eigenschaften von gekühltem und heißem Wasser zukommt, aber was genau ist unbekannt.

Singapur-Version

einer der Physiker Universitäten in Singapur Mich interessierte auch die Frage, welches Wasser gefriert schneller – heiß oder kalt? Ein Forscherteam unter der Leitung von Xi Zhang erklärte dieses Paradox genau durch die Eigenschaften von Wasser. Die Zusammensetzung des Wassers kennt noch jeder aus der Schule – ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome. Sauerstoff entzieht dem Wasserstoff gewissermaßen Elektronen, das Molekül ist also eine Art "Magnet".

Dadurch werden bestimmte Moleküle im Wasser leicht voneinander angezogen und durch eine Wasserstoffbrücke verbunden. Seine Stärke ist um ein Vielfaches geringer als die der kovalenten Bindung. Singapurische Forscher glauben, dass die Erklärung des Mpemba-Paradoxons genau in Wasserstoffbrückenbindungen liegt. Wenn Wassermoleküle sehr eng beieinander platziert werden, kann eine so starke Wechselwirkung zwischen Molekülen die kovalente Bindung in der Mitte des Moleküls selbst deformieren.

Aber wenn Wasser erhitzt wird, bewegen sich die gebundenen Moleküle etwas voneinander weg. Dadurch kommt es in der Mitte der Moleküle zu einer Relaxation. kovalente Bindungen mit der Rückgabe überschüssiger Energie und dem Übergang zu einem niedrigeren Energielevel. Dies führt dazu, dass heißes Wasser schnell abzukühlen beginnt. Das zeigen zumindest die theoretischen Berechnungen singapurischer Wissenschaftler.

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