Warum gefriert kochendes Wasser bei kaltem Wetter schneller? Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Mpemba-Effekt. Die Frage gibt es schon lange

Mpemba-Effekt(Mpemba-Paradoxon) - ein Paradoxon, das das sagt Heißes Wasser Unter bestimmten Bedingungen gefriert es schneller 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 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 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 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 einige Erklärungen zum Mpemba-Effekt:

Verdunstung

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

Denn der Temperaturunterschied zw 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 -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 daher mehr Eis.

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

Konvektion

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 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

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.

Darüber hinaus widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, dass heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen kann. Wenn Wasser erhitzt wird, werden ihm die darin gelösten Gase entzogen, 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.

Welches Wasser schneller gefriert, heiß oder kalt, wird von vielen Faktoren beeinflusst, aber die Frage selbst erscheint etwas seltsam. Es ist bekannt und aus der Physik bekannt, dass heißes Wasser noch Zeit braucht, um sich auf die Temperatur vergleichbaren kalten Wassers abzukühlen, um zu Eis zu werden. diese Phase kann übersprungen werden und dementsprechend gewinnt sie rechtzeitig.

Aber die Antwort auf die Frage, welches Wasser auf der Straße bei Frost schneller gefriert - kalt oder heiß -, kennt jeder Bewohner der nördlichen Breiten. Tatsächlich stellt sich wissenschaftlich heraus, dass kaltes Wasser ohnehin einfach schneller gefrieren muss.

So auch der Physiklehrer, der 1963 von dem Schüler Erasto Mpemba mit der Bitte angesprochen wurde, zu erklären, warum die kalte Mischung künftiger Eiscreme länger gefriert als eine ähnliche, aber heiße.

"Das ist keine Weltphysik, sondern eine Art Mpemba-Physik"

Damals lachte der Lehrer nur darüber, aber Deniss Osborne, ein Physikprofessor, der einst an derselben Schule ging, an der Erasto studierte, bestätigte experimentell die Existenz eines solchen Effekts, obwohl es damals keine Erklärung dafür gab . 1969 in der populären wissenschaftliche Zeitschrift veröffentlichte einen gemeinsamen Artikel dieser beiden Personen, der diesen eigentümlichen Effekt beschrieb.

Seitdem hat übrigens die Frage, welches Wasser schneller gefriert - heiß oder kalt - einen eigenen Namen - der Effekt oder paradox, Mpemba.

Die Frage gibt es schon lange

Natürlich hat es ein solches Phänomen schon früher gegeben und es wurde in den Arbeiten anderer Wissenschaftler erwähnt. Nicht nur der Schüler interessierte sich für diese Frage, auch Rene Descartes und sogar Aristoteles haben sich einst Gedanken darüber gemacht.

Hier sind nur Ansätze zur Lösung dieses Paradoxons, die erst am Ende des zwanzigsten Jahrhunderts zu suchen begannen.

Bedingungen für das Auftreten eines Paradoxons

Wie bei Eiscreme gefriert während des Experiments nicht nur gewöhnliches Wasser. Es müssen bestimmte Bedingungen vorliegen, um sich darüber streiten zu können, welches Wasser schneller gefriert – kalt oder heiß. Was beeinflusst diesen Prozess?

Jetzt, im 21. Jahrhundert, wurden mehrere Optionen vorgeschlagen, die dieses Paradoxon erklären können. Welches Wasser schneller gefriert, heiß oder kalt, kann davon abhängen, dass es eine höhere Verdunstungsrate hat als kaltes Wasser. Somit nimmt sein Volumen ab, und mit abnehmendem Volumen wird die Gefrierzeit kürzer, als wenn wir ein ähnliches Anfangsvolumen an kaltem Wasser nehmen.

Gefrierschrank wurde lange abgetaut

Welches Wasser schneller gefriert und warum es dies tut, kann durch die Schneedecke beeinflusst werden, die im Gefrierfach des für das Experiment verwendeten Kühlschranks vorhanden sein kann. Wenn Sie zwei Behälter nehmen, die das gleiche Volumen haben, aber einer davon heißes Wasser und der andere kaltes Wasser enthält, schmilzt der Behälter mit heißem Wasser den Schnee darunter und verbessert so den Kontakt des thermischen Niveaus mit der Kühlschrankwand. Ein Kaltwasserbehälter kann das nicht. Wenn sich im Kühlschrank keine solche Schneeauskleidung befindet, sollte kaltes Wasser schneller gefrieren.

Oben unten

Auch das Phänomen, dass Wasser schneller gefriert - heiß oder kalt - wird wie folgt erklärt. Nach bestimmten Gesetzen beginnt kaltes Wasser zu gefrieren obere Schichten Wenn es heiß ist, ist es umgekehrt - es beginnt von unten nach oben zu gefrieren. Gleichzeitig stellt sich heraus, dass kaltes Wasser mit einer darauf stellenweise bereits gebildeten Kälteschicht Konvektionsprozesse beeinträchtigt und somit Wärmestrahlung, wodurch erklärt wird, welches Wasser schneller gefriert - kalt oder heiß. Ein Foto von Amateurexperimenten ist beigefügt und hier ist es gut sichtbar.

Die Wärme geht nach oben aus und trifft dort auf eine sehr kühle Schicht. Es gibt keinen freien Weg für die Wärmestrahlung, sodass der Kühlprozess schwierig wird. Heißes Wasser hat absolut keine derartigen Barrieren auf seinem Weg. Was schneller gefriert - kalt oder heiß, davon hängt das wahrscheinliche Ergebnis ab. Sie können die Antwort erweitern, indem Sie sagen, dass in jedem Wasser bestimmte Substanzen gelöst sind.

Verunreinigungen in der Wasserzusammensetzung als Einflussfaktor auf das Ergebnis

Wenn Sie nicht schummeln und Wasser mit verwenden die gleiche Zusammensetzung wo die Konzentrationen bestimmter Stoffe gleich sind, sollte kaltes Wasser schneller gefrieren. Aber wenn eine Situation eintritt, wenn die aufgelöst chemische Elemente nur in heißem Wasser verfügbar, während kaltes Wasser sie nicht hat, dann besteht die Möglichkeit, dass heißes Wasser früher gefriert. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die im Wasser gelösten Stoffe Kristallisationszentren bilden und bei einer geringen Anzahl dieser Zentren die Umwandlung von Wasser in einen festen Zustand schwierig ist. Sogar eine Unterkühlung von Wasser ist möglich, in dem Sinne, dass es sich bei Minusgraden in einem flüssigen Zustand befindet.

Aber alle diese Versionen passten den Wissenschaftlern anscheinend nicht bis zum Ende, und sie arbeiteten weiter an diesem Problem. Im Jahr 2013 sagte ein Forscherteam in Singapur, sie hätten das uralte Rätsel gelöst.

Eine Gruppe chinesischer Wissenschaftler behauptet, dass das Geheimnis dieses Effekts in der Energiemenge liegt, die zwischen Wassermolekülen in ihren Bindungen, den sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen, gespeichert wird.

Die Antwort von chinesischen Wissenschaftlern

Weitere Informationen werden folgen, für deren Verständnis einige Kenntnisse in Chemie erforderlich sind, um herauszufinden, welches Wasser schneller gefriert - heiß oder kalt. Wie Sie wissen, besteht es aus zwei H-Atomen (Wasserstoff) und einem O-Atom (Sauerstoff), die zusammengehalten werden kovalente Bindungen.

Aber auch Wasserstoffatome eines Moleküls werden von benachbarten Molekülen angezogen, von ihrem Sauerstoffanteil. Diese Bindungen nennt man Wasserstoffbrückenbindungen.

Gleichzeitig ist daran zu erinnern, dass Wassermoleküle gleichzeitig abstoßend aufeinander wirken. Wissenschaftler stellten fest, dass beim Erhitzen von Wasser der Abstand zwischen seinen Molekülen zunimmt, was durch Abstoßungskräfte erleichtert wird. Es stellt sich heraus, dass man, wenn man einen Abstand zwischen Molekülen in kaltem Zustand einnimmt, sagen kann, dass sie sich dehnen und eine größere Energiezufuhr haben. Es ist diese Energiereserve, die freigesetzt wird, wenn sich Wassermoleküle nähern, dh es kommt zu einer Abkühlung. Es stellt sich heraus, dass ein größerer Energievorrat in heißem Wasser und dessen größere Freisetzung beim Abkühlen auf Minustemperaturen schneller erfolgt als in kaltem Wasser, das einen geringeren Energievorrat hat. Welches Wasser gefriert also schneller – kalt oder heiß? Auf der Straße und im Labor soll das Mpemba-Paradoxon auftreten und heißes Wasser schneller zu Eis werden.

Aber die Frage ist noch offen

Es gibt nur eine theoretische Bestätigung dieses Hinweises – all dies ist in schönen Formeln geschrieben und scheint plausibel. Aber wenn die experimentellen Daten, welches Wasser schneller gefriert - heiß oder kalt, in einen praktischen Sinn gebracht und ihre Ergebnisse präsentiert werden, dann wird es möglich sein, die Frage des Mpemba-Paradoxons als abgeschlossen zu betrachten.

Das Phänomen, dass heißes Wasser schneller erstarrt als kaltes Wasser, ist in der Wissenschaft als Mpemba-Effekt bekannt. So große Geister wie Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes haben über dieses paradoxe Phänomen nachgedacht, aber seit Jahrtausenden ist noch niemand in der Lage gewesen, eine vernünftige Erklärung für dieses Phänomen anzubieten.

Erst 1963 bemerkte ein Schüler aus der Republik Tanganjika, Erasto Mpemba, diesen Effekt am Beispiel von Eiscreme, aber keiner der Erwachsenen gab ihm eine Erklärung. Trotzdem haben Physiker und Chemiker ernsthaft über ein so einfaches, aber so unverständliches Phänomen nachgedacht.

Seitdem wurden verschiedene Versionen geäußert, eine davon lautete: Ein Teil des heißen Wassers verdunstet zunächst einfach, und wenn dann eine geringere Menge zurückbleibt, erstarrt das Wasser schneller. Diese Version wurde aufgrund ihrer Einfachheit zur beliebtesten, aber die Wissenschaftler waren nicht ganz zufrieden.

Jetzt hat ein Team von Forschern aus Technische Universität Nanyang in Singapur (Nanyang Technological University) unter der Leitung des Chemikers Xi Zhang sagte, dass sie das uralte Rätsel gelöst haben, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wie chinesische Experten herausfanden, liegt das Geheimnis in der Menge an Energie, die in Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen gespeichert ist.

Wie Sie wissen, bestehen Wassermoleküle aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, was auf Partikelebene wie ein Austausch von Elektronen aussieht. Andere bekannte Tatsache ist, dass Wasserstoffatome von Sauerstoffatomen benachbarter Moleküle angezogen werden – dies bildet Wasserstoffbrückenbindungen.

Gleichzeitig stoßen sich die Wassermoleküle als Ganzes gegenseitig ab. Wissenschaftler aus Singapur stellten fest, dass je wärmer das Wasser, desto größer der Abstand zwischen den Molekülen der Flüssigkeit aufgrund der Zunahme der Abstoßungskräfte. Dadurch werden Wasserstoffbrückenbindungen gestreckt und speichern daher mehr Energie. Diese Energie wird beim Abkühlen des Wassers freigesetzt – die Moleküle nähern sich einander an. Und die Energierückgabe bedeutet bekanntlich Abkühlung.

Wie die Chemiker in ihrem Artikel schreiben, der auf der Preprint-Seite von arXiv.org zu finden ist, werden Wasserstoffbrücken in heißem Wasser stärker gedehnt als in kaltem Wasser. So stellt sich heraus, dass in den Wasserstoffbrückenbindungen von heißem Wasser mehr Energie gespeichert wird, was bedeutet, dass beim Abkühlen auf Minustemperaturen mehr davon freigesetzt wird. Aus diesem Grund geht das Einfrieren schneller.

Bisher haben Wissenschaftler dieses Rätsel nur theoretisch gelöst. Wenn sie überzeugende Beweise für ihre Version vorlegen, dann kann die Frage, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, als erledigt angesehen werden.

1963 stellte ein Schüler aus Tansania namens Erasto Mpemba seinem Lehrer eine dumme Frage: Warum gefriert warmes Eis in seinem Gefrierschrank schneller als kaltes?

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 noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie sogar früher als die nach einer bestimmten Technologie zubereitete Milch seiner Kameraden.

Er wandte sich zur Klärung an den Physiklehrer, lachte den Schüler aber nur aus und sagte: „Das ist keine Weltphysik, sondern die Physik von Mpemba.“ 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 Daressalam (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?" Osborn interessierte sich für diese Frage und bald darauf veröffentlichten sie 1969 zusammen mit Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift Physics Education. Der von ihnen entdeckte Effekt heißt seitdem Mpemba-Effekt.

Sind Sie neugierig zu wissen, warum das passiert? Erst vor wenigen Jahren gelang es Wissenschaftlern, dieses Phänomen zu erklären ...

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. 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.

Jetzt sagt ein Forscherteam der Nanyang Technological University in Singapur unter der Leitung des Chemikers Xi Zhang, dass es das uralte Rätsel gelöst hat, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wie chinesische Experten herausfanden, liegt das Geheimnis in der Menge an Energie, die in Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen gespeichert ist.

Wie Sie wissen, bestehen Wassermoleküle aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, was auf Partikelebene wie ein Austausch von Elektronen aussieht. Eine weitere bekannte Tatsache ist, dass Wasserstoffatome von Sauerstoffatomen benachbarter Moleküle angezogen werden – in diesem Fall werden Wasserstoffbrückenbindungen gebildet.

Hier sind die von Wissenschaftlern aufgestellten Hypothesen:

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 nimmt seine Temperatur aufgrund der Verdunstung ab.

Temperaturunterschied

Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist die Wärmeübertragung 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 manchen Fällen kann Wasser sogar 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 nicht unterkühltem Kaltwasser bildet sich auf seiner Oberfläche eine dünne Eisschicht, die als Isolator zwischen Wasser und kalter Luft wirkt und so eine weitere Verdunstung verhindert. 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 bei 4°C eine maximale Dichte. Wenn Wasser auf 4 °C gekühlt und in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur gebracht wird, 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 bei 4°C bleiben. Daher wird der weitere Kühlprozess langsamer sein. Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund von Verdunstung und größeren Temperaturunterschieden 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 aus Sicht der Konvektion zu erklären, sollte man davon ausgehen, 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 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 schneller einen unterkühlten Zustand als heißes Wasser und kompensiert dadurch die vorherige Verzögerung. Darüber hinaus 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 maßgeblich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Und hier ist der wahrscheinlichste Grund.

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. Daher 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 Thermophysik 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 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 Dar es Salaam, war er bei einem Vortrag des berühmten Physikers Denis G. Osborn. 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. Warum?" 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 ging 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 aus New York City beschäftigt sich James Brownridge seit über einem Jahrzehnt in seiner Freizeit mit dem Paradoxon. 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 sich mehrere Elemente gleichzeitig im Wasser befinden, 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 fand heraus, dass immer eines der Exemplare vor dem anderen gefriert – vermutlich aufgrund einer anderen Kombination von 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.