Mpemba-Effekt oder warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Der 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 Mkwawa High School, Professor Dennis Osborne vom University College in Dar es Salaam (auf Einladung des Direktors der Schule, um Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) zum Thema Wasser: „Wenn du nimmst zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass in einem von ihnen das Wasser eine Temperatur von 35 ° C und in dem anderen - 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 veröffentlichte bald darauf 1969 zusammen mit Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift "Physics Education". Der von ihnen entdeckte Effekt heißt seitdem 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, wobei noch nicht klar ist, 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 die Zeit, in der der Körper auf Temperatur abkühlt Umfeld, sollte proportional zur Temperaturdifferenz zwischen diesem Körper und der Umgebung sein. 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 ein paar Erklärungen für den Mpemba-Effekt: Verdunstung Heißes Wasser verdunstet schneller aus einem Behälter und verringert dadurch sein Volumen, und ein kleineres Wasservolumen bei gleicher Temperatur gefriert schneller. Auf 100 C erhitztes Wasser verliert 16 % seiner Masse, wenn es auf 0 C abgekühlt wird. Der Effekt der Verdunstung ist ein doppelter Effekt. 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 Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturunterschied zwischen heißes Wasser und mehr kalte Luft - daher 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 einer Temperatur von -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 dient und die unteren Wasserschichten schützt, die eine Temperatur von 4 ° C haben. Daher wird der weitere Kühlprozess langsamer sein. 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, würde man annehmen, 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 Daten das würde diese Hypothese bestätigen, 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 darin als in unbeheiztem Wasser. kaltes Wasser. 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 wichtige Rolle spielen, wenn Wasser in kleinen Behältern in einen Kühlschrank mit Gefrierfach gestellt wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass der Behälter mit heißem Wasser das Eis des Gefrierschranks unter sich 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. O. V. Mosin

In diesem Artikel werden wir uns ansehen, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser.

Erhitztes Wasser gefriert viel schneller als kaltes Wasser! Das erstaunliches Anwesen Wasser, dessen genaue Erklärung Wissenschaftler bis heute nicht finden können, ist seit der Antike bekannt. So gibt es beispielsweise schon bei Aristoteles eine Beschreibung des Winterfischens: Die Fischer steckten Angelruten in Löcher im Eis, und damit sie schneller gefrieren, gossen sie warmes Wasser auf das Eis. Der Name dieses Phänomens wurde in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts nach Erasto Mpemba benannt. Mnemba bemerkte den seltsamen Effekt bei der Eisherstellung und wandte sich an seinen Physiklehrer Dr. Denis Osborne, um eine Erklärung zu erhalten. Mpemba und Dr. Osborne experimentierten mit Wasser bei verschiedenen Temperaturen und kamen zu dem Schluss, dass fast kochendes Wasser viel schneller zu gefrieren beginnt als Wasser bei Raumtemperatur. Andere Wissenschaftler haben ihre eigenen Experimente durchgeführt und jedes Mal ähnliche Ergebnisse erzielt.

Erklärung eines physikalischen Phänomens

Es gibt keine allgemein anerkannte Erklärung dafür, warum dies geschieht. Viele Forscher vermuten, dass es um die Unterkühlung einer Flüssigkeit geht, die auftritt, wenn ihre Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Mit anderen Worten, wenn Wasser bei einer Temperatur unter 0°C gefriert, dann kann unterkühltes Wasser eine Temperatur von beispielsweise -2°C haben und trotzdem flüssig bleiben, ohne zu Eis zu werden. Wenn wir versuchen, kaltes Wasser einzufrieren, besteht die Möglichkeit, dass es zunächst unterkühlt wird und erst nach einiger Zeit hart wird. In erhitztem Wasser finden andere Prozesse statt. Seine schnellere Umwandlung in Eis ist mit Konvektion verbunden.

Konvektion- Dies ist ein physikalisches Phänomen, bei dem die warmen unteren Schichten der Flüssigkeit aufsteigen und die oberen, abgekühlten abfallen.

Die kurze Antwort ist, warum heißes Wasser schneller gefriert

Es stellt sich heraus, dass sich die Flüssigkeit selbst zu vermischen und abzukühlen scheint. Da in erhitztem Wasser der Prozess der Konvektion aktiv ist, sinken Eiskristalle von der Oberfläche schneller ab und kühlen das warme Wasser am Boden ab.

Hallo liebe Liebhaber Interessante Fakten. Heute werden wir darüber sprechen. Aber ich denke, dass die Frage im Titel einfach absurd erscheinen mag - aber ist es immer notwendig, dem berüchtigten " gesunder Menschenverstand“, und nicht ein streng festgelegtes Verifikationsexperiment. Versuchen wir herauszufinden, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser?

Geschichtlicher Bezug

Dass in der Frage von eiskaltem und heißem Wasser „nicht alles rein ist“ wurde in den Werken von Aristoteles erwähnt, dann wurden ähnliche Notizen von F. Bacon, R. Descartes und J. Black gemacht. IN jüngere Geschichte Dieser Effekt erhielt den Namen „Mpemba-Paradoxon“ – nach dem Namen eines Schülers aus Tanganjika, Erasto Mpemba, der die gleiche Frage einem Gastprofessor für Physik stellte.

Die Frage des Jungen entstand nicht von Grund auf, sondern aus rein persönlichen Beobachtungen des Kühlprozesses von Eismischungen in der Küche. Natürlich lachten die dort anwesenden Klassenkameraden zusammen mit dem Schullehrer über Mpemba – doch nach einer experimentellen Überprüfung durch Professor D. Osborne persönlich „verflüchtigte“ sich die Lust, sich über Erasto lustig zu machen. Darüber hinaus veröffentlichte Mpemba zusammen mit einem Professor 1969 in Physics Education detaillierte Beschreibung diesen Effekt - und seitdem hat sich der obige Name in der wissenschaftlichen Literatur festgesetzt.

Was ist die Essenz des Phänomens?

Der Versuchsaufbau ist recht einfach: Unter sonst gleichen Bedingungen werden identische dünnwandige Gefäße getestet, in denen sich streng gleiche Wassermengen befinden, die sich nur in der Temperatur unterscheiden. Die Gefäße werden in den Kühlschrank geladen, wonach die Zeit bis zur Eisbildung in jedem von ihnen aufgezeichnet wird. Das Paradoxe ist, dass dies in einem Gefäß mit einer anfänglich heißeren Flüssigkeit schneller geschieht.

Wie erklärt die moderne Physik das?

Das Paradoxon hat keine universelle Erklärung, da mehrere parallele Prozesse zusammenlaufen, deren Beitrag von bestimmten Anfangsbedingungen abweichen kann – aber mit einem einheitlichen Ergebnis:

• die Fähigkeit einer Flüssigkeit zu unterkühlen - anfangs ist kaltes Wasser anfälliger für Unterkühlung, d.h. bleibt flüssig, wenn seine Temperatur bereits unter dem Gefrierpunkt liegt
• beschleunigte Abkühlung - Dampf aus heißem Wasser wird in Eismikrokristalle umgewandelt, die beim Zurückfallen den Prozess beschleunigen und als zusätzlicher "externer Wärmetauscher" wirken
• Isolierwirkung - im Gegensatz zu heißem Wasser gefriert kaltes Wasser von oben, was zu einer Verringerung der Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung führt

Es gibt noch eine Reihe weiterer Erklärungen das letzte Mal die britische Royal Society of Chemistry hat kürzlich, im Jahr 2012, einen Wettbewerb um die beste Hypothese durchgeführt) - aber es gibt immer noch keine eindeutige Theorie für alle Fälle von Kombinationen von Eingabebedingungen ...

Mpemba-Effekt(Mpemba-Paradoxon) - 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.

Erasto Mpemba war Schüler der Magambin High School in Tansania und machte praktische Kocharbeiten. 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. Als Schüler der Mkwawa High School jedenfalls fragte er Professor Dennis Osborne vom University College in Dar es Salaam (auf Einladung des Direktors der Schule, um Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) zum Thema Wasser: „Wenn du nimmst zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass in einem von ihnen das Wasser eine Temperatur von 35 ° C und in dem anderen - 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 veröffentlichte bald darauf 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 werden.

in Wasser gelöste Gase

Wasser enthält immer 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 unter sich 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.

O. V. Mosin

LiterarischQuellen:

"Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Warum tut es das?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, S. 246-257; September 1977.

"Das Einfrieren von heißem und kaltem Wasser", G.S. Kell im American Journal of Physics, Bd. 37, Nr. 5, S. 564–565; Mai 1969.

"Unterkühlung und der Mpemba-Effekt", David Auerbach, im American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, S. 882-885; Okt. 1995.

"Der Mpemba-Effekt: Die Gefrierzeiten von heißem und kaltem Wasser", Charles A. Knight, im American Journal of Physics, Vol. 3, No. 64, Nr. 5, S. 524; Mai 1996.

Haben Sie sich schon einmal die Frage gestellt, warum auf 82 Grad erhitztes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser? Höchstwahrscheinlich nicht, ich bin mir sogar mehr als sicher, dass Ihnen die Frage nie in den Sinn gekommen ist - welches Wasser gefriert schneller heiß oder kalt?

Dies jedoch erstaunliche Entdeckung 1963 von einem gewöhnlichen afrikanischen Schuljungen, Erasto Mpemba, hergestellt. Es war die übliche Erfahrung eines neugierigen Jungen, natürlich konnte er die Bedeutung seiner eigenen nicht richtig interpretieren, und außerdem konnten Wissenschaftler aus aller Welt bis 1966 keine klare und vernünftige Aussage treffen die Antwort auf die Frage - warum heißes Wasser friert schneller als Kälte.

Warum gefriert heißes Wasser bei 4 Grad Celsius und kaltes Wasser bei 0?

Kaltes Wasser enthält viel gelösten Sauerstoff, er ist es, der den Gefrierpunkt von Wasser bei 0 Grad hält. Wird dem Wasser Sauerstoff entzogen, und genau das passiert beim Erhitzen des Wassers, kollabieren die im Wasser gelösten Luftbläschen, wie man heute in Mode sagt, das Wasser wird bei null Grad nicht zu Eis, da üblich, und das schon bei 4 °C. Es ist Sauerstoff, der in Wasser gelöst ist, der die Bindungen zwischen Wassermolekülen aufbricht und verhindert, dass Wasser von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand übergeht, indem er einfach in einen festen Zustand übergeht