Welches Wasser tropft schneller, kalt oder heiß? Video: Welches Wasser gefriert schneller

Welches Wasser tropft schneller, kalt oder heiß? Video: Welches Wasser gefriert schneller – heiß oder kalt

Die britische Royal Society of Chemistry setzt eine Belohnung von 1.000 £ für jeden aus, der die Ursache einiger Fälle wissenschaftlich erklären kann Heißes Wasser gefriert schneller als kalt.

„Die moderne Wissenschaft kann diese scheinbar einfache Frage immer noch nicht beantworten. Eismacher und Barkeeper nutzen diesen Effekt in ihrem tägliche Arbeit, aber niemand weiß wirklich, warum es funktioniert. „Dieses Problem ist seit Jahrtausenden bekannt und Philosophen wie Aristoteles und Descartes haben darüber nachgedacht“, wird Professor David Phillips, Präsident der British Royal Society of Chemistry, in einer Pressemitteilung der Gesellschaft zitiert.

Wie ein Koch aus Afrika einen britischen Physikprofessor besiegte

Es ist nicht Aprilscherz, aber eine harte physische Realität. Die moderne Wissenschaft, die problemlos mit Galaxien und Schwarzen Löchern operiert und riesige Beschleuniger baut, um nach Quarks und Bosonen zu suchen, kann nicht erklären, wie elementares Wasser „funktioniert“. Schulbuch besagt eindeutig, dass das Abkühlen eines heißeren Körpers länger dauert als das Abkühlen eines kälteren Körpers. Bei Wasser wird dieses Gesetz jedoch nicht immer eingehalten. Auf dieses Paradox machte Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. aufmerksam. e. Das habe ich geschrieben Altgriechisch im Buch Meteorologica I: „Die Tatsache, dass Wasser vorgewärmt wird, trägt zu seinem Gefrieren bei. Deshalb legen viele Menschen, wenn sie heißes Wasser schneller abkühlen wollen, es zuerst in die Sonne...“ Im Mittelalter versuchten Francis Bacon und Rene Descartes, dieses Phänomen zu erklären. Leider gelang dies weder den großen Philosophen noch den zahlreichen Wissenschaftlern, die die klassische Thermophysik entwickelten, und daher geriet diese unbequeme Tatsache lange Zeit in Vergessenheit.

Und erst 1968 „erinnerten“ sie sich dank des Schülers Erasto Mpembe aus Tansania, fernab jeglicher Wissenschaft. Während seines Studiums an der Kochkunstschule im Jahr 1963 erhielt der 13-jährige Mpembe die Aufgabe, Eis herzustellen. Gemäß der Technologie war es notwendig, Milch zu kochen, Zucker darin aufzulösen und abzukühlen Zimmertemperatur und dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein fleißiger Schüler und zögerte. Aus Angst, dass er es bis zum Ende der Unterrichtsstunde nicht schaffen würde, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie noch früher als die nach allen Regeln zubereitete Milch seiner Kameraden.

Als Mpemba seinem Physiklehrer seine Entdeckung erzählte, lachte er ihn vor der ganzen Klasse aus. Mpemba erinnerte sich an die Beleidigung. Fünf Jahre später, bereits Student an der Universität in Daressalam, besuchte er eine Vorlesung des berühmten Physikers Denis G. Osborne. Nach dem Vortrag stellte er dem Wissenschaftler eine Frage: „Wenn man zwei identische Behälter mit gleichen Mengen Wasser, einen bei 35 °C (95 °F) und den anderen bei 100 °C (212 °F), nimmt und sie aufstellt im Gefrierschrank, dann gefriert das 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 Studenten lustig. Mpemba war jedoch auf eine solche Antwort vorbereitet und forderte den Wissenschaftler zu einer Wette heraus. Ihr Streit endete mit einem experimentellen Test, der bestätigte, dass Mpemba Recht hatte und Osborne besiegte. Damit schrieb der Kochlehrling seinen Namen in die Geschichte der Wissenschaft, und fortan wird dieses Phänomen als „Mpemba-Effekt“ bezeichnet. Es ist unmöglich, es wegzuwerfen, es für „nichtexistent“ zu erklären. Das Phänomen existiert, und wie der Dichter schrieb: „Es tut nicht weh.“

Sind Staubpartikel und gelöste Stoffe schuld?

Im Laufe der Jahre haben viele versucht, das Geheimnis des gefrierenden Wassers zu lüften. Wurde angeboten ein ganzer Strauß Erklärungen für dieses Phänomen: Verdunstung, Konvektion, Einfluss gelöster Stoffe – aber keiner dieser Faktoren kann als abschließend angesehen werden. Eine Reihe von Wissenschaftlern haben ihr ganzes Leben dem Mpemba-Effekt gewidmet. Mitarbeiter der Abteilung Strahlenschutz Staatliche Universität Der in New York City lebende James Brownridge beschäftigt sich seit einem Jahrzehnt in seiner Freizeit mit Paradoxen. Nach Hunderten von Experimenten behauptet der Wissenschaftler, Beweise für die „Schuld“ der Unterkühlung zu haben. Brownridge erklärt, dass Wasser bei 0 °C nur unterkühlt wird und zu gefrieren beginnt, wenn die Temperatur darunter fällt. Der Gefrierpunkt wird durch Verunreinigungen im Wasser reguliert – sie verändern die Geschwindigkeit der Eiskristallbildung. Verunreinigungen wie Staubpartikel, Bakterien und gelöste Salze weisen eine charakteristische Keimbildungstemperatur auf, wenn sich Eiskristalle um Kristallisationszentren bilden. Wenn mehrere Elemente gleichzeitig im Wasser vorhanden sind, wird der Gefrierpunkt durch dasjenige bestimmt, das die höchste Keimbildungstemperatur aufweist.

Für das Experiment entnahm Brownridge zwei Wasserproben gleicher Temperatur und stellte sie in den Gefrierschrank. Er entdeckte, dass immer eines der Exemplare vor dem anderen gefror, vermutlich aufgrund einer anderen Kombination von Verunreinigungen.

Laut Brownridge kühlt heißes Wasser schneller ab, weil zwischen der Temperatur des Wassers und der des Gefrierschranks ein größerer Unterschied besteht. Dadurch erreicht es seinen Gefrierpunkt, bevor kaltes Wasser seinen natürlichen Gefrierpunkt erreicht, der mindestens 5 °C niedriger liegt.

Allerdings wirft Brownridges Argumentation viele Fragen auf. Daher haben diejenigen, die den Mpemba-Effekt auf ihre eigene Weise erklären können, die Chance, sich um tausend Pfund Sterling von der britischen Royal Society of Chemistry zu bewerben.

Im Jahr 1963 stellte ein tansanischer Schüler namens Erasto Mpemba seinem Lehrer eine dumme Frage: Warum gefrierte das warme Eis in seinem Gefrierschrank schneller als das kalte?

Als Schülerin von Magambinskaya weiterführende Schule in Tansania tat es Erasto Mpemba praktische Arbeit beim Kochen. Er musste selbstgemachtes Eis herstellen – Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen lassen und es dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und verzögerte die Fertigstellung des ersten Teils der Aufgabe. Aus Angst, dass er es bis zum Ende der Unterrichtsstunde nicht schaffen würde, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie noch früher als die Milch seiner Kameraden, die nach der vorgegebenen Technologie zubereitet wurde.

Er wandte sich zur Klärung an den Physiklehrer, lachte den Schüler jedoch nur aus und sagte: „Das ist keine universelle Physik, sondern Mpemba-Physik.“ Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit normalem Wasser.

Jedenfalls fragte er bereits als Schüler der Mkwava Secondary School Professor Dennis Osborne vom University College in Dar Es Salaam (auf Einladung des Schulleiters, den Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) konkret zum Thema Wasser: „If you take zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass das Wasser in einem von ihnen eine Temperatur von 35 °C und im anderen eine Temperatur von 100 °C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten schneller. Warum?" Osborne interessierte sich für dieses Thema und bald darauf, im Jahr 1969, veröffentlichten er und Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift Physics Education. Seitdem wird der von ihnen entdeckte Effekt Mpemba-Effekt genannt.

Möchten Sie 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 während des Gefriervorgangs die Temperatur von kaltem Wasser überschreiten muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach ein stärker erhitzter Körper unter gleichen Bedingungen mehr Zeit braucht, um auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein weniger erhitzter Körper, um auf die gleiche Temperatur abzukühlen.

Dieses Phänomen wurde seinerzeit von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt. Bisher weiß niemand genau, wie dieser seltsame Effekt zu erklären ist. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber es ist noch nicht klar, welche Eigenschaften in diesem Fall eine Rolle spielen: der Unterschied in der 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, muss proportional zum Temperaturunterschied zwischen diesem Körper und der Umgebung sein. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Dabei kühlt Wasser mit einer Temperatur von 100 °C schneller auf eine Temperatur von 0 °C ab als die gleiche Menge Wasser mit einer Temperatur von 35 °C.

Seitdem wurden verschiedene Versionen geäußert, von denen eine so lautete: Ein Teil des heißen Wassers verdunstet zunächst einfach, und wenn dann weniger davon übrig bleibt, gefriert das Wasser schneller. Diese Version wurde aufgrund ihrer Einfachheit zur beliebtesten, stellte die Wissenschaftler jedoch nicht vollständig zufrieden.

Jetzt sagt ein Forscherteam der Nanyang Technological University in Singapur unter der Leitung des Chemikers Xi Zhang, dass sie das uralte Rätsel gelöst haben, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wie chinesische Experten herausgefunden haben, 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 Elektronenaustausch aussieht. Ein anderer bekannte Tatsache liegt darin, dass Wasserstoffatome von Sauerstoffatomen benachbarter Moleküle angezogen werden – und Wasserstoffbrückenbindungen entstehen.

Gleichzeitig stoßen sich Wassermoleküle im Allgemeinen gegenseitig ab. Wissenschaftler aus Singapur stellten fest: Je wärmer das Wasser, desto größer ist der Abstand zwischen den Molekülen der Flüssigkeit, da die Abstoßungskräfte zunehmen. Dadurch werden Wasserstoffbrückenbindungen gedehnt und speichern somit mehr Energie. Diese Energie wird beim Abkühlen des Wassers freigesetzt – die Moleküle rücken einander näher. Und die Freisetzung von Energie bedeutet bekanntlich Abkühlung.

Hier sind die Annahmen der Wissenschaftler:

Verdunstung

Heißes Wasser verdunstet schneller aus dem Behälter, wodurch sich sein Volumen verringert und eine kleinere Wassermenge bei gleicher Temperatur schneller gefriert. Auf 100 °C erhitztes Wasser verliert beim Abkühlen auf 0 °C 16 % seiner Masse. Der Verdunstungseffekt ist ein doppelter Effekt. Erstens verringert sich die zur Kühlung benötigte Wassermasse. Und zweitens sinkt seine Temperatur durch die Verdunstung.

Temperaturunterschied

Aufgrund des Temperaturunterschieds 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 abkühlt, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer Unterkühlung kommen und bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt weiterhin flüssig bleiben. In manchen Fällen kann Wasser auch bei einer Temperatur von -20 °C flüssig bleiben. Der Grund für diesen Effekt liegt darin, dass für die Bildung der ersten Eiskristalle Kristallbildungszentren benötigt werden. Wenn sie in flüssigem Wasser nicht vorhanden sind, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit sinkt, dass sich spontan Kristalle zu bilden beginnen. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, wachsen sie schneller und bilden 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 gefriert heißes Wasser bei Unterkühlung schneller? Bei kaltem Wasser, das nicht unterkühlt ist, passiert Folgendes: Auf seiner Oberfläche bildet sich eine dünne Eisschicht, die als Isolator zwischen dem Wasser und der kalten Luft wirkt und so eine weitere Verdunstung verhindert. Die Geschwindigkeit der Eiskristallbildung ist in diesem Fall geringer. Bei heißem Wasser, das einer Unterkühlung ausgesetzt ist, weist das unterkühlte Wasser keine schützende Eisschicht an der Oberfläche auf. Daher verliert es durch die offene Oberseite viel schneller Wärme. Wenn der Unterkühlungsprozess endet und das Wasser gefriert, geht viel mehr Wärme verloren und wird somit gebildet mehr Eis. Viele Forscher dieses Effekts halten Unterkühlung für den Hauptfaktor beim Mpemba-Effekt.
Konvektion

Kaltes Wasser beginnt von oben zu gefrieren, wodurch sich die Prozesse der Wärmestrahlung und Konvektion und damit der Wärmeverlust verschlechtern, während heißes Wasser von unten zu gefrieren beginnt. Dieser Effekt wird durch eine Anomalie der Wasserdichte erklärt. Wasser hat seine maximale Dichte bei 4°C. Wenn Sie Wasser auf 4 °C abkühlen und es in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur stellen, 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 kalte Schicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich innerhalb kurzer Zeit eine dünne Eisschicht auf der Wasseroberfläche, die jedoch als Isolator fungiert und die unteren Wasserschichten schützt, die eine Temperatur von 4 °C haben . Daher wird der weitere Abkühlungsprozess langsamer sein. Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund der Verdunstung und eines größeren Temperaturunterschieds schneller ab. Außerdem sind Kaltwasserschichten dichter als Warmwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche bringt. Diese Wasserzirkulation sorgt für einen schnellen Temperaturabfall. Aber warum erreicht dieser Prozess keinen Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt aus Sicht der Konvektion zu erklären, müsste man annehmen, dass die kalte und die heiße Wasserschicht getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst weitergeht, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 °C sinkt. Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise, die diese Hypothese stützen, dass kalte und heiße Wasserschichten durch den Prozess der 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 von Wasser werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hohen Temperaturen geringer ist. Wenn heißes Wasser abgekühlt wird, enthält es daher immer weniger gelöste Gase als in ungeheiztem Wasser. kaltes Wasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als Hauptfaktor für die Erklärung des Mpemba-Effekts angesehen, obwohl es keine experimentellen Daten gibt, die diese Tatsache bestätigen.

Wärmeleitfähigkeit

Dieser Mechanismus kann spielen bedeutende Rolle wenn Wasser in kleinen Behältern in den Kühlraum des Gefrierschranks gegeben wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass ein Behälter mit heißem Wasser das Eis im darunter liegenden Gefrierschrank schmilzt und dadurch den Wärmekontakt mit der Gefrierschrankwand und die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Dadurch wird einem Warmwasserbehälter die Wärme schneller entzogen als einem Kaltwasserbehälter. Ein Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt den Schnee darunter nicht. Alle diese (und andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, welche davon eine 100-prozentige Reproduktion des Mpemba-Effekts gewährleisten, wurde nie erhalten. Beispielsweise untersuchte der deutsche Physiker David Auerbach 1995 den Einfluss von unterkühltem Wasser auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, wenn es einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als dieses. Kaltes Wasser erreicht jedoch schneller einen unterkühlten Zustand als heißes Wasser und gleicht so die vorherige Verzögerung aus. Darüber hinaus widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, wonach heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen könne. Beim Erhitzen von Wasser werden darin gelöste Gase entfernt und beim Kochen fallen einige darin gelöste Salze aus. Vorerst lässt sich nur eines sagen: Die Reproduktion dieses Effekts hängt maßgeblich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Aber wie sie sagen, der wahrscheinlichste Grund.

Wie die Chemiker in ihrem Artikel schreiben, der auf der Preprint-Website arXiv.org zu finden ist, sind Wasserstoffbrückenbindungen in heißem Wasser stärker als in kaltem Wasser. Es zeigt sich also, dass in den Wasserstoffbrückenbindungen von heißem Wasser mehr Energie gespeichert ist, was bedeutet, dass beim Abkühlen auf Minustemperaturen mehr davon freigesetzt wird. Aus diesem Grund erfolgt die Aushärtung schneller.

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

Mpemba-Effekt(Mpembas Paradoxon) ist ein Paradoxon, das besagt, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, obwohl es während des Gefriervorgangs die Temperatur von kaltem Wasser überschreiten muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach ein stärker erhitzter Körper unter gleichen Bedingungen mehr Zeit braucht, um auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein weniger erhitzter Körper, um auf die gleiche Temperatur abzukühlen.

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

Als Schüler der Magambi High School in Tansania arbeitete Erasto Mpemba praktisch als Koch. Er musste selbstgemachtes Eis herstellen – Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen lassen und es dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und verzögerte die Fertigstellung des ersten Teils der Aufgabe. Aus Angst, dass er es bis zum Ende der Unterrichtsstunde nicht schaffen würde, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie noch früher als die Milch seiner Kameraden, die nach der vorgegebenen Technologie zubereitet wurde.

Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit normalem Wasser. Jedenfalls fragte er bereits als Schüler der Mkwava Secondary School Professor Dennis Osborne vom University College in Dar Es Salaam (auf Einladung des Schulleiters, den Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) konkret zum Thema Wasser: „If you take zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass das Wasser in einem von ihnen eine Temperatur von 35 °C und im anderen eine Temperatur von 100 °C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten schneller. Warum? Osborne interessierte sich für dieses Thema und bald darauf, im Jahr 1969, veröffentlichten er und Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift Physics Education. Seitdem heißt der von ihnen entdeckte Effekt Mpemba-Effekt.

Bisher weiß niemand genau, wie dieser seltsame Effekt zu erklären ist. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber es ist noch nicht klar, welche Eigenschaften in diesem Fall eine Rolle spielen: der Unterschied in der Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder die Wirkung von verflüssigten Gasen auf Wasser unterschiedliche Temperaturen.

Das Paradoxe des Mpemba-Effekts besteht darin, dass die Zeit, in der ein Körper auf die Umgebungstemperatur abkühlt, proportional zum Temperaturunterschied zwischen diesem Körper und der Umgebung sein sollte. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Dabei kühlt Wasser mit einer Temperatur von 100 °C schneller auf eine Temperatur von 0 °C ab als die gleiche Menge Wasser mit einer Temperatur von 35 °C.

Dies bedeutet jedoch noch kein Paradoxon, da in diesem Rahmen auch der Mpemba-Effekt erklärt werden kann berühmter Physiker. Hier einige Erklärungen zum Mpemba-Effekt:

Verdunstung

Der Verdunstungseffekt ist ein doppelter Effekt. Erstens verringert sich die zur Kühlung benötigte Wassermasse. Und zweitens sinkt die Temperatur dadurch, dass die Verdampfungswärme beim Übergang von der Wasserphase in die Dampfphase abnimmt.

Temperaturunterschied

Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist der Wärmeaustausch in diesem Fall intensiver und das heiße Wasser kühlt schneller ab.

Unterkühlung

Wenn Wasser unter 0 °C abkühlt, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer Unterkühlung kommen und bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt weiterhin flüssig bleiben. In manchen Fällen kann Wasser auch bei einer Temperatur von –20 °C flüssig bleiben.

Der Grund für diesen Effekt liegt darin, dass für die Bildung der ersten Eiskristalle Kristallbildungszentren benötigt werden. Wenn sie in flüssigem Wasser nicht vorhanden sind, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit sinkt, dass sich spontan Kristalle zu bilden beginnen. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, wachsen sie schneller und bilden 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 gefriert heißes Wasser bei Unterkühlung schneller? Bei kaltem Wasser, das nicht unterkühlt ist, passiert Folgendes. In diesem Fall bildet sich eine dünne Eisschicht auf der Gefäßoberfläche. Diese Eisschicht fungiert als Isolator zwischen dem Wasser und der kalten Luft und verhindert eine weitere Verdunstung. Die Geschwindigkeit der Eiskristallbildung ist in diesem Fall geringer. Bei heißem Wasser, das einer Unterkühlung ausgesetzt ist, weist das unterkühlte Wasser keine schützende Eisschicht an der Oberfläche auf. 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

Dieser Effekt wird durch eine Anomalie der Wasserdichte 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 mit einer Temperatur von 4 °C hat, verbleibt es an der Oberfläche und bildet eine dünne kalte Schicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich innerhalb kurzer 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 Abkühlungsprozess langsamer sein.

Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund der Verdunstung und eines größeren Temperaturunterschieds schneller ab. Darüber hinaus sind Kaltwasserschichten dichter als Warmwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche hebt. Diese Wasserzirkulation sorgt für einen schnellen Temperaturabfall.

Aber warum erreicht dieser Prozess keinen Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt aus dieser Sicht der Konvektion zu erklären, müsste man annehmen, dass die kalten und heißen Wasserschichten getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst weitergeht, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 °C fällt.

Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise, die diese Hypothese stützen, dass kalte und heiße Wasserschichten durch den Prozess der 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 von Wasser werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hohen Temperaturen geringer ist. Wenn heißes Wasser abkühlt, enthält es daher immer weniger gelöste Gase als in ungeheiztem Kaltwasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als 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 den Kühlraum des Gefrierfachs gegeben wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass ein Behälter mit heißem Wasser das Eis im darunter liegenden Gefrierschrank schmilzt und dadurch den Wärmekontakt mit der Gefrierschrankwand und die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Dadurch wird einem Warmwasserbehälter die Wärme schneller entzogen als einem Kaltwasserbehälter. Ein Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt den Schnee darunter nicht.

Alle diese (und andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine klare Antwort auf die Frage, welche davon den Mpemba-Effekt hundertprozentig reproduzieren, wurde nie erhalten.

Beispielsweise untersuchte der deutsche Physiker David Auerbach 1995 den Einfluss von unterkühltem Wasser auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, wenn es einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als dieses. Kaltes Wasser erreicht jedoch schneller einen unterkühlten Zustand als heißes Wasser und gleicht so die vorherige Verzögerung aus.

Darüber hinaus widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, wonach heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen könne. Beim Erhitzen von Wasser werden darin gelöste Gase entfernt und beim Kochen fallen einige darin gelöste Salze aus.

Vorerst lässt sich nur eines sagen: Die Reproduktion dieses Effekts hängt maßgeblich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Mpemba-Effekt(Mpembas Paradoxon) – ein Paradoxon, das besagt, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, obwohl es beim Gefriervorgang die Temperatur von kaltem Wasser überschreiten muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach ein stärker erhitzter Körper unter gleichen Bedingungen mehr Zeit braucht, um auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein weniger erhitzter Körper, um auf die gleiche Temperatur abzukühlen.

Dies bedeutet jedoch noch kein Paradoxon, da der Mpemba-Effekt im Rahmen der bekannten Physik erklärt werden kann. Hier einige Erklärungen zum Mpemba-Effekt:

Verdunstung

Temperaturunterschied

Unterkühlung

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.

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

Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise, die diese Hypothese stützen, dass kalte und heiße Wasserschichten durch den Prozess der 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 von Wasser werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hohen Temperaturen geringer ist. Wenn heißes Wasser abkühlt, enthält es daher immer weniger gelöste Gase als in ungeheiztem Kaltwasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als Hauptfaktor für die Erklärung des Mpemba-Effekts angesehen, obwohl es keine experimentellen Daten gibt, die diese Tatsache bestätigen.

Wärmeleitfähigkeit

Alle diese (und andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine klare Antwort auf die Frage, welche davon den Mpemba-Effekt hundertprozentig reproduzieren, wurde nie erhalten.

O. V. Mosin

LiterarischQuellen:

„Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Warum passiert das?“, Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Bd. 237, Nr. 3, S. 246-257; September 1977.

„Das Gefrieren von heißem und kaltem Wasser“, G.S. Kell im American Journal of Physics, Bd. 37, Nr. 5, S. 564-565; Mai 1969.

"Unterkühlung und das Mpemba-Effekt“, David Auerbach, in American Journal of Physics, Bd. 63, Nr. 10, S. 882-885; Okt. 1995.

„Der Mpemba-Effekt: Die Gefrierzeiten von heißem und kaltem Wasser“, Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Bd. 64, Nr. 5, S. 524; Mai 1996.

Es gibt viele Faktoren, die beeinflussen, welches Wasser schneller gefriert, heiß oder kalt, aber die Frage selbst erscheint etwas seltsam. Die Schlussfolgerung, und das ist aus der Physik bekannt, ist, dass heißes Wasser noch Zeit braucht, um auf die Temperatur des verglichenen kalten Wassers abzukühlen, um sich in Eis zu verwandeln. Kaltes Wasser kann diese Phase überspringen und gewinnt dementsprechend Zeit.

Aber die Antwort auf die Frage, welches Wasser draußen in der Kälte schneller gefriert – kalt oder heiß –, kennt jeder Bewohner nördlicher Breiten. Tatsächlich stellt sich wissenschaftlich heraus, dass kaltes Wasser in jedem Fall zwangsläufig schneller gefriert.

Der Physiklehrer, an den sich der Schüler Erasto Mpemba im Jahr 1963 wandte, dachte dasselbe mit der Bitte, zu erklären, warum die kalte Mischung des zukünftigen Eises länger zum Gefrieren braucht als eine ähnliche, aber heiße.

„Das ist keine universelle Physik, sondern eine Art Mpemba-Physik“

Damals lachte der Lehrer nur darüber, aber Deniss Osborne, ein Physikprofessor, der einst dieselbe Schule besuchte, an der Erasto studierte, bestätigte experimentell das Vorhandensein eines solchen Effekts, obwohl es damals keine Erklärung dafür gab. Im Jahr 1969 im populären wissenschaftliche Zeitschrift Ein gemeinsamer Artikel wurde von diesen beiden Personen veröffentlicht, in dem dieser besondere Effekt beschrieben wurde.

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

Die Frage gibt es schon seit langem

Natürlich gab es ein solches Phänomen schon früher und es wurde auch in den Arbeiten anderer Wissenschaftler erwähnt. Nicht nur das Schulkind interessierte sich für dieses Thema, auch René Descartes und sogar Aristoteles haben einmal darüber nachgedacht.

Doch erst Ende des 20. Jahrhunderts begannen sie, nach Ansätzen zur Lösung dieses Paradoxons zu suchen.

Bedingungen für das Auftreten eines Paradoxons

Wie bei Eis gefriert während des Experiments nicht nur klares Wasser. Muss anwesend sein bestimmte Bedingungen um zu streiten, welches Wasser schneller gefriert – kalt oder heiß. Was beeinflusst den Verlauf dieses Prozesses?

Jetzt, im 21. Jahrhundert, wurden mehrere Optionen vorgeschlagen, die dieses Paradoxon erklären können. Welches Wasser schneller gefriert, heiß oder kalt, hängt möglicherweise davon ab, dass es eine höhere Verdunstungsrate aufweist als kaltes Wasser. Dadurch nimmt sein Volumen ab, und mit abnehmendem Volumen wird die Gefrierzeit kürzer, als wenn wir das gleiche Ausgangsvolumen an kaltem Wasser nehmen würden.

Es ist schon eine Weile her, seit Sie den Gefrierschrank abgetaut haben.

Welches Wasser schneller gefriert und warum dies geschieht, kann durch die eventuell vorhandene Schneedecke im Gefrierschrank des für das Experiment genutzten Kühlschranks beeinflusst werden. Wenn Sie zwei Behälter mit identischem Volumen nehmen, von denen einer jedoch heißes Wasser und der andere kaltes Wasser enthält, schmilzt der Behälter mit heißem Wasser den darunter liegenden Schnee und verbessert so den Kontakt der Thermoebene mit der Kühlschrankwand. Ein Behälter mit kaltem Wasser kann dies nicht leisten. Wenn im Kühlraum keine solche Schneedecke vorhanden ist, 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 von den oberen Schichten zu gefrieren, während heißes Wasser das Gegenteil bewirkt – es beginnt von unten nach oben zu gefrieren. Es stellt sich heraus, dass kaltes Wasser mit einer kalten Schicht auf der Oberseite und stellenweise bereits gebildetem Eis die Prozesse der Konvektion und Wärmestrahlung verschlechtert und damit erklärt, welches Wasser schneller gefriert – kalt oder heiß. Fotos von Amateurexperimenten sind beigefügt, und dies ist hier deutlich zu erkennen.

Die Hitze entweicht, strömt nach oben und trifft dort auf eine sehr kühle Schicht. Haben Sie eine freie Fahrt Da es keine Wärmestrahlung gibt, wird der Kühlvorgang schwierig. Heißes Wasser hat keinerlei Hindernisse auf seinem Weg. Was schneller gefriert – kalt oder heiß, was das wahrscheinliche Ergebnis bestimmt, Sie können die Antwort erweitern, indem Sie sagen, dass in jedem Wasser bestimmte Substanzen gelöst sind.

Verunreinigungen im Wasser als Einflussfaktor auf das Ergebnis

Wenn Sie nicht schummeln und Wasser mit der gleichen Zusammensetzung verwenden, bei dem die Konzentrationen bestimmter Stoffe identisch sind, sollte kaltes Wasser schneller gefrieren. Aber wenn eine Situation auftritt, wenn sie aufgelöst wird chemische Elemente Sind sie nur in heißem Wasser vorhanden, in kaltem Wasser jedoch nicht, besteht die Möglichkeit, dass heißes Wasser früher gefriert. Dies erklärt sich dadurch, dass im Wasser gelöste Stoffe Kristallisationszentren bilden und bei einer geringen Anzahl dieser Zentren die Umwandlung von Wasser in einen festen Zustand schwierig ist. Es ist sogar möglich, dass das Wasser unterkühlt wird, d. h., dass es bei Minusgraden in flüssigem Zustand vorliegt.

Aber all diese Versionen gefielen den Wissenschaftlern offenbar nicht ganz und sie arbeiteten weiter an diesem Thema. Im Jahr 2013 gab ein Forscherteam in Singapur an, ein uraltes Rätsel gelöst zu haben.

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

Die Antwort chinesischer Wissenschaftler

Was folgt, sind Informationen, um zu verstehen, dass Sie über einige Kenntnisse der Chemie verfügen müssen, um zu verstehen, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt. Es besteht bekanntlich aus zwei H-Atomen (Wasserstoff) und einem O-Atom (Sauerstoff), die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden.

Aber auch die Wasserstoffatome eines Moleküls werden von benachbarten Molekülen, von deren Sauerstoffanteil, angezogen. Diese Bindungen werden Wasserstoffbrückenbindungen genannt.

Es sei daran erinnert, dass Wassermoleküle gleichzeitig eine abstoßende Wirkung aufeinander haben. Wissenschaftler stellten fest, dass beim Erhitzen von Wasser der Abstand zwischen seinen Molekülen zunimmt, was durch abstoßende Kräfte erleichtert wird. Es stellt sich heraus, dass sich die Moleküle dehnen, wenn sie im kalten Zustand den gleichen Abstand zwischen ihnen einnehmen, und dass sie über eine größere Energieversorgung verfügen. Es ist diese Energiereserve, die freigesetzt wird, wenn Wassermoleküle beginnen, sich einander anzunähern, d. h. es kommt zu einer Abkühlung. Es zeigt sich, dass in heißem Wasser eine größere Energiereserve und beim Abkühlen auf Minustemperaturen eine größere Energiefreisetzung schneller erfolgt als in kaltem Wasser, das über eine geringere Energiereserve verfügt. Welches Wasser gefriert also schneller – kalt oder heiß? Auf der Straße und im Labor sollte das Mpemba-Paradoxon auftreten und heißes Wasser schneller zu Eis werden.

Aber die Frage ist noch offen

Für diese Lösung gibt es nur eine theoretische Bestätigung – das alles ist in schönen Formeln geschrieben und erscheint plausibel. Aber wenn die experimentellen Daten darüber, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt – in die Praxis umgesetzt und ihre Ergebnisse präsentiert werden, dann kann die Frage nach dem Mpemba-Paradoxon als abgeschlossen betrachtet werden.