Por que a água quente congela mais rápido no frio? Por que a água quente congela mais rápido que a água fria?

Em 1963, um estudante da Tanzânia chamado Erasto Mpemba fez uma pergunta estúpida a seu professor - por que o sorvete quente congela mais rápido do que o sorvete frio em seu freezer?

Como aluno do Magamba ensino médio na Tanzânia, Erasto Mpemba fez trabalho prático nas artes culinárias. Ele teve que fazer sorvete caseiro - ferver o leite, dissolver o açúcar nele, esfriá-lo para temperatura do quarto e depois coloque na geladeira para congelar. Aparentemente, Mpemba não era um aluno particularmente diligente e procrastinava na primeira parte do trabalho. Temendo não chegar a tempo ao final da aula, colocou leite ainda quente na geladeira. Para sua surpresa, congelou ainda mais cedo que o leite de seus companheiros, preparado de acordo com uma determinada tecnologia.

Voltou-se para o professor de física para esclarecimentos, mas ele apenas riu do aluno, dizendo o seguinte: "Isso não é física mundial, mas a física de Mpemba". Depois disso, Mpemba experimentou não apenas com leite, mas também com água comum.

De qualquer forma, já sendo aluno da Mkwawa High School, ele perguntou ao professor Dennis Osborne do University College em Dar es Salaam (convidado pelo diretor da escola para dar uma palestra sobre física aos alunos) sobre a água: “Se você pega dois recipientes idênticos com volumes iguais de água para que em um deles a água tenha uma temperatura de 35 ° C e no outro - 100 ° C, e os coloque no freezer, depois no segundo a água congelará mais rápido. Por que?" Osborn se interessou por essa questão e logo em 1969, juntamente com Mpemba, publicaram os resultados de seus experimentos na revista Physics Education. Desde então, o efeito que descobriram é chamado de efeito Mpemba.

Ficou curioso para saber por que isso acontece? Apenas alguns anos atrás, os cientistas conseguiram explicar esse fenômeno ...

O Efeito Mpemba (Mpemba Paradox) é um paradoxo que afirma que água quente sob certas condições, congela mais rápido que o frio, embora deva passar a temperatura água fria durante o processo de congelamento. Esse paradoxo é um fato experimental que contradiz as ideias usuais, segundo as quais, nas mesmas condições, um corpo mais quente precisa de mais tempo para se resfriar a uma determinada temperatura do que um corpo mais frio para se resfriar à mesma temperatura.

Esse fenômeno foi percebido na época por Aristóteles, Francis Bacon e René Descartes. Até agora, ninguém sabe exatamente como explicar esse estranho efeito. Os cientistas não têm uma única versão, embora existam muitas. É tudo sobre a diferença nas propriedades da água quente e fria, mas ainda não está claro quais propriedades desempenham um papel neste caso: a diferença no super-resfriamento, evaporação, formação de gelo, convecção ou o efeito de gases liquefeitos na água em temperaturas diferentes. O paradoxo do efeito Mpemba é que o tempo durante o qual o corpo esfria até a temperatura ambiente deve ser proporcional à diferença de temperatura entre este corpo e o ambiente. Esta lei foi estabelecida por Newton e desde então tem sido confirmada muitas vezes na prática. No mesmo efeito, a água a 100°C esfria até 0°C mais rápido do que a mesma quantidade de água a 35°C.

Desde então, diferentes versões foram expressas, uma das quais foi a seguinte: parte da água quente simplesmente evapora no início e, depois, quando resta uma quantidade menor, a água se solidifica mais rapidamente. Esta versão, devido à sua simplicidade, tornou-se a mais popular, mas os cientistas não ficaram completamente satisfeitos.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, liderada pelo químico Xi Zhang, diz ter resolvido o antigo mistério de por que a água quente congela mais rápido que a água fria. Como descobriram os especialistas chineses, o segredo está na quantidade de energia armazenada nas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água.

Como você sabe, as moléculas de água consistem em um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio unidos por ligações covalentes, que no nível das partículas parecem uma troca de elétrons. Outro fato conhecidoé que os átomos de hidrogênio são atraídos pelos átomos de oxigênio das moléculas vizinhas - neste caso, as ligações de hidrogênio são formadas.

Ao mesmo tempo, as moléculas de água como um todo se repelem. Cientistas de Cingapura notaram que quanto mais quente a água, maior a distância entre as moléculas do líquido devido ao aumento das forças repulsivas. Como resultado, as ligações de hidrogênio são esticadas e, portanto, armazenam mais energia. Essa energia é liberada quando a água esfria - as moléculas se aproximam. E o retorno de energia, como você sabe, significa resfriamento.

Aqui estão as hipóteses apresentadas pelos cientistas:

Evaporação

A água quente evapora mais rápido do recipiente, reduzindo assim seu volume, e um volume menor de água com a mesma temperatura congela mais rápido. A água aquecida a 100°C perde 16% de sua massa quando resfriada a 0°C. O efeito de evaporação é um efeito duplo. Primeiro, a massa de água necessária para o resfriamento é reduzida. E em segundo lugar, devido à evaporação, sua temperatura diminui.

diferença de temperatura

Porque a diferença de temperatura entre água quente e ar frio mais - portanto, a transferência de calor neste caso é mais intensa e a água quente esfria mais rápido.

hipotermia
Quando a água é resfriada abaixo de 0°C, ela nem sempre congela. Sob certas condições, ele pode sofrer superresfriamento enquanto continua a permanecer líquido em temperaturas abaixo do ponto de congelamento. Em alguns casos, a água pode permanecer líquida mesmo a -20°C. A razão para este efeito é que para que os primeiros cristais de gelo comecem a se formar, são necessários centros de formação de cristais. Se eles não estiverem em água líquida, o superresfriamento continuará até que a temperatura caia o suficiente para que os cristais comecem a se formar espontaneamente. Quando eles começam a se formar no líquido super-resfriado, eles começam a crescer mais rápido, formando uma lama de gelo que congela para formar gelo. A água quente é mais suscetível à hipotermia porque aquecê-la elimina gases dissolvidos e bolhas, que por sua vez podem servir como centros para a formação de cristais de gelo. Por que a hipotermia faz com que a água quente congele mais rápido? No caso da água fria que não é super-resfriada, o que acontece é que uma fina camada de gelo se forma em sua superfície, que atua como um isolante entre a água e o ar frio, evitando assim uma maior evaporação. A taxa de formação de cristais de gelo neste caso será menor. No caso de água quente submetida a sub-resfriamento, a água sub-resfriada não possui uma camada protetora de gelo na superfície. Portanto, ele perde calor muito mais rápido pela parte superior aberta. Quando o processo de super-resfriamento termina e a água congela, muito mais calor é perdido e, portanto, mais gelo. Muitos pesquisadores deste efeito consideram a hipotermia o principal fator no caso do efeito Mpemba.
Convecção

A água fria começa a congelar de cima, piorando os processos de radiação e convecção de calor e, portanto, a perda de calor, enquanto a água quente começa a congelar por baixo. Este efeito é explicado por uma anomalia na densidade da água. A água tem uma densidade máxima a 4°C. Se você resfriar a água a 4°C e colocá-la em um ambiente com temperatura mais baixa, a camada superficial de água congelará mais rapidamente. Como essa água é menos densa que a água a 4°C, ela permanecerá na superfície, formando uma fina camada fria. Nessas condições, uma fina camada de gelo se formará na superfície da água por um curto período de tempo, mas essa camada de gelo servirá como isolante protegendo as camadas inferiores de água, que permanecerão a 4°C. Portanto, o processo de resfriamento adicional será mais lento. No caso da água quente, a situação é completamente diferente. A camada superficial da água esfriará mais rapidamente devido à evaporação e às maiores diferenças de temperatura. Além disso, as camadas de água fria são mais densas do que as camadas de água quente, de modo que a camada de água fria afundará, levantando a camada de água quente para a superfície. Esta circulação de água garante uma rápida queda de temperatura. Mas por que esse processo não atinge o ponto de equilíbrio? Para explicar o efeito Mpemba do ponto de vista da convecção, deve-se supor que as camadas frias e quentes de água são separadas e o próprio processo de convecção continua após a temperatura média da água cair abaixo de 4°C. No entanto, não há evidências experimentais para apoiar esta hipótese de que as camadas de água fria e quente são separadas por convecção.

gases dissolvidos na água

A água sempre contém gases dissolvidos nela - oxigênio e dióxido de carbono. Esses gases têm a capacidade de diminuir o ponto de congelamento da água. Quando a água é aquecida, esses gases são liberados da água porque sua solubilidade em água em alta temperatura é menor. Portanto, quando a água quente é resfriada, há sempre menos gases dissolvidos nela do que na água fria não aquecida. Portanto, o ponto de congelamento da água aquecida é maior e congela mais rapidamente. Este fator é por vezes considerado como o principal na explicação do efeito Mpemba, embora não existam dados experimentais que confirmem este facto.

Condutividade térmica

Este mecanismo pode desempenhar Papel essencial quando a água é colocada no congelador do compartimento frigorífico em pequenos recipientes. Nestas condições, observou-se que o recipiente com água quente derrete o gelo do freezer sob si mesmo, melhorando assim o contato térmico com a parede do freezer e a condutividade térmica. Como resultado, o calor é removido do recipiente de água quente mais rapidamente do que do frio. Por sua vez, o recipiente com água fria não derrete a neve sob ele. Todas essas condições (assim como outras) foram estudadas em muitos experimentos, mas não foi obtida uma resposta inequívoca à pergunta - quais delas fornecem 100% de reprodução do efeito Mpemba. Assim, por exemplo, em 1995, o físico alemão David Auerbach estudou a influência do superresfriamento da água nesse efeito. Ele descobriu que a água quente, atingindo um estado super-resfriado, congela a uma temperatura mais alta que a água fria e, portanto, mais rápido que esta. Mas a água fria atinge um estado super-resfriado mais rápido que a água quente, compensando assim o atraso anterior. Além disso, os resultados de Auerbach contradiziam dados anteriores de que a água quente é capaz de obter um superresfriamento maior devido a menos centros de cristalização. Quando a água é aquecida, os gases dissolvidos nela são removidos e, quando fervida, alguns sais dissolvidos nela precipitam. Até agora, apenas uma coisa pode ser afirmada - a reprodução desse efeito depende significativamente das condições em que o experimento é realizado. Justamente porque nem sempre é reproduzido.

E aqui está o motivo mais provável.

Como os químicos escrevem em seu artigo, que pode ser encontrado no site de pré-impressão arXiv.org, as ligações de hidrogênio são esticadas mais fortemente em água quente do que em água fria. Assim, verifica-se que mais energia é armazenada nas ligações de hidrogênio da água quente, o que significa que mais energia é liberada quando resfriada a temperaturas abaixo de zero. Por esse motivo, o congelamento é mais rápido.

Até o momento, os cientistas resolveram esse enigma apenas teoricamente. Quando eles apresentam evidências convincentes de sua versão, então a questão de por que a água quente congela mais rápido do que a água fria pode ser considerada encerrada.

Efeito Mpemba ou por que a água quente congela mais rápido que a água fria? O Efeito Mpemba (Mpemba Paradox) é um paradoxo que afirma que a água quente sob certas condições congela mais rápido que a água fria, embora deva passar a temperatura da água fria no processo de congelamento. Esse paradoxo é um fato experimental que contradiz as ideias usuais, segundo as quais, nas mesmas condições, um corpo mais quente precisa de mais tempo para se resfriar a uma determinada temperatura do que um corpo mais frio para se resfriar à mesma temperatura. Esse fenômeno foi percebido na época por Aristóteles, Francis Bacon e René Descartes, mas somente em 1963, o estudante tanzaniano Erasto Mpemba descobriu que uma mistura de sorvete quente congela mais rápido que uma gelada. Erasto Mpemba era um estudante da Magambin High School, na Tanzânia, fazendo trabalhos práticos de culinária. Ele teve que fazer sorvete caseiro - ferver o leite, dissolver o açúcar nele, resfriá-lo à temperatura ambiente e depois colocá-lo na geladeira para congelar. Aparentemente, Mpemba não era um aluno particularmente diligente e procrastinava na primeira parte do trabalho. Temendo não chegar a tempo ao final da aula, colocou o leite ainda quente na geladeira. Para sua surpresa, congelou ainda mais cedo que o leite de seus companheiros, preparado de acordo com uma determinada tecnologia. Depois disso, Mpemba experimentou não apenas com leite, mas também com água comum. De qualquer forma, já sendo aluno da Mkwawa High School, ele perguntou ao professor Dennis Osborne, do University College em Dar es Salaam (convidado pelo diretor da escola para dar uma palestra sobre física aos alunos) sobre a água: "Se você dois recipientes idênticos com volumes iguais de água para que em um deles a água tenha uma temperatura de 35 ° C e no outro - 100 ° C, e coloque-os no freezer, depois no segundo a água congelará mais rapidamente. Por quê? Osborne se interessou por esta questão e logo em 1969, juntamente com Mpemba, publicaram os resultados de seus experimentos na revista "Physics Education". Desde então, o efeito que descobriram é chamado de efeito Mpemba. Até agora, ninguém sabe exatamente como explicar esse estranho efeito. Os cientistas não têm uma única versão, embora existam muitas. É tudo sobre a diferença nas propriedades da água quente e fria, mas ainda não está claro quais propriedades desempenham um papel neste caso: a diferença no super-resfriamento, evaporação, formação de gelo, convecção ou o efeito de gases liquefeitos na água em temperaturas diferentes. O paradoxo do efeito Mpemba é que o tempo durante o qual o corpo esfria até a temperatura ambiente deve ser proporcional à diferença de temperatura entre este corpo e o ambiente. Esta lei foi estabelecida por Newton e desde então tem sido confirmada muitas vezes na prática. No mesmo efeito, a água a 100°C esfria até 0°C mais rápido do que a mesma quantidade de água a 35°C. No entanto, isso ainda não implica um paradoxo, uma vez que o efeito Mpemba também pode ser explicado em termos de física conhecida . Aqui estão algumas explicações para o efeito Mpemba: Evaporação A água quente evapora mais rápido de um recipiente, reduzindo assim seu volume, e um volume menor de água na mesma temperatura congela mais rápido. A água aquecida a 100 C perde 16% de sua massa quando resfriada a 0 C. O efeito da evaporação é duplo. Primeiro, a massa de água necessária para o resfriamento é reduzida. E em segundo lugar, a temperatura diminui devido ao fato de que o calor de evaporação da transição da fase de água para a fase de vapor diminui. Diferença de temperatura Devido ao fato de que a diferença de temperatura entre água quente e ar frio é maior - portanto, a troca de calor neste caso é mais intensa e a água quente esfria mais rápido. Sub-resfriamento Quando a água é resfriada abaixo de 0 C, ela nem sempre congela. Sob certas condições, ele pode sofrer superresfriamento enquanto continua a permanecer líquido em temperaturas abaixo do ponto de congelamento. Em alguns casos, a água pode permanecer líquida mesmo a uma temperatura de -20 C. A razão para este efeito é que para que os primeiros cristais de gelo comecem a se formar, são necessários centros de formação de cristais. Se eles não estiverem em água líquida, o superresfriamento continuará até que a temperatura caia o suficiente para que os cristais comecem a se formar espontaneamente. Quando eles começam a se formar no líquido super-resfriado, eles começam a crescer mais rápido, formando uma lama de gelo que congela para formar gelo. A água quente é mais suscetível à hipotermia porque aquecê-la elimina gases dissolvidos e bolhas, que por sua vez podem servir como centros para a formação de cristais de gelo. Por que a hipotermia faz com que a água quente congele mais rápido? No caso da água fria, que não é super-resfriada, ocorre o seguinte. Nesse caso, uma fina camada de gelo se formará na superfície do recipiente. Essa camada de gelo atuará como um isolante entre a água e o ar frio e evitará uma maior evaporação. A taxa de formação de cristais de gelo neste caso será menor. No caso de água quente submetida a sub-resfriamento, a água sub-resfriada não possui uma camada protetora de gelo na superfície. Portanto, ele perde calor muito mais rápido pela parte superior aberta. Quando o processo de super-resfriamento termina e a água congela, muito mais calor é perdido e, portanto, mais gelo é formado. Muitos pesquisadores deste efeito consideram a hipotermia o principal fator no caso do efeito Mpemba. Convecção A água fria começa a congelar por cima, piorando os processos de radiação e convecção de calor e, portanto, a perda de calor, enquanto a água quente começa a congelar por baixo. Este efeito é explicado por uma anomalia na densidade da água. A água tem uma densidade máxima de 4 C. Se você resfriar a água a 4 C e colocá-la em uma temperatura mais baixa, a camada superficial da água congelará mais rapidamente. Como essa água é menos densa que a água a 4°C, ela permanecerá na superfície, formando uma fina camada fria. Nessas condições, uma fina camada de gelo se formará na superfície da água por um curto período de tempo, mas essa camada de gelo servirá como isolante protegendo as camadas inferiores de água, que permanecerão a uma temperatura de 4°C. , o resfriamento adicional será mais lento. No caso da água quente, a situação é completamente diferente. A camada superficial de água esfriará mais rapidamente devido à evaporação e a uma maior diferença de temperatura. Além disso, as camadas de água fria são mais densas do que as camadas de água quente, de modo que a camada de água fria afundará, levantando a camada de água quente para a superfície. Esta circulação de água garante uma rápida queda de temperatura. Mas por que esse processo não atinge o ponto de equilíbrio? Para explicar o efeito Mpemba deste ponto de vista da convecção, seria assumido que as camadas frias e quentes de água são separadas e o próprio processo de convecção continua após a temperatura média da água cair abaixo de 4 C. No entanto, não há dados experimentais que confirmaria esta hipótese, que as camadas de água fria e quente são separadas por convecção. Gases dissolvidos na água A água sempre contém gases dissolvidos nela - oxigênio e dióxido de carbono. Esses gases têm a capacidade de diminuir o ponto de congelamento da água. Quando a água é aquecida, esses gases são liberados da água porque sua solubilidade em água em alta temperatura é menor. Portanto, quando a água quente é resfriada, há sempre menos gases dissolvidos nela do que na água fria não aquecida. Portanto, o ponto de congelamento da água aquecida é maior e congela mais rapidamente. Este fator é por vezes considerado como o principal na explicação do efeito Mpemba, embora não existam dados experimentais que confirmem este facto. Condutividade Térmica Este mecanismo pode desempenhar um papel significativo quando a água é colocada em um freezer em pequenos recipientes. Nestas condições, observou-se que o recipiente com água quente derrete o gelo do freezer sob si mesmo, melhorando assim o contato térmico com a parede do freezer e a condutividade térmica. Como resultado, o calor é removido do recipiente de água quente mais rapidamente do que do frio. Por sua vez, o recipiente com água fria não derrete a neve sob ele. Todas essas condições (assim como outras) foram estudadas em muitos experimentos, mas não foi obtida uma resposta inequívoca à pergunta - quais delas fornecem 100% de reprodução do efeito Mpemba -. Assim, por exemplo, em 1995, o físico alemão David Auerbach estudou a influência do superresfriamento da água nesse efeito. Ele descobriu que a água quente, atingindo um estado super-resfriado, congela a uma temperatura mais alta que a água fria e, portanto, mais rápido que esta. Mas a água fria atinge o estado super-resfriado mais rapidamente do que a água quente, compensando assim o atraso anterior. Além disso, os resultados de Auerbach contradiziam dados anteriores de que a água quente é capaz de obter um superresfriamento maior devido a menos centros de cristalização. Quando a água é aquecida, os gases dissolvidos nela são removidos e, quando fervida, alguns sais dissolvidos nela precipitam. Até agora, apenas uma coisa pode ser afirmada - a reprodução desse efeito depende essencialmente das condições em que o experimento é realizado. Justamente porque nem sempre é reproduzido. O. V. Mosin

efeito Mpemba(Paradoxo de Mpemba) - um paradoxo que afirma que a água quente sob certas condições congela mais rápido que a água fria, embora deva passar a temperatura da água fria no processo de congelamento. Esse paradoxo é um fato experimental que contradiz as ideias usuais, segundo as quais, nas mesmas condições, um corpo mais quente precisa de mais tempo para se resfriar a uma determinada temperatura do que um corpo mais frio para se resfriar à mesma temperatura.

Esse fenômeno foi percebido na época por Aristóteles, Francis Bacon e René Descartes, mas somente em 1963, o estudante tanzaniano Erasto Mpemba descobriu que uma mistura de sorvete quente congela mais rápido que uma gelada.

Erasto Mpemba era um estudante da Magambin High School, na Tanzânia, fazendo trabalhos práticos de culinária. Ele teve que fazer sorvete caseiro - ferver o leite, dissolver o açúcar nele, resfriá-lo à temperatura ambiente e depois colocá-lo na geladeira para congelar. Aparentemente, Mpemba não era um aluno particularmente diligente e procrastinava na primeira parte do trabalho. Temendo não chegar a tempo ao final da aula, colocou o leite ainda quente na geladeira. Para sua surpresa, congelou ainda mais cedo que o leite de seus companheiros, preparado de acordo com uma determinada tecnologia.

Depois disso, Mpemba experimentou não apenas com leite, mas também com água comum. De qualquer forma, já sendo aluno da Mkwawa High School, ele perguntou ao professor Dennis Osborne, do University College em Dar es Salaam (convidado pelo diretor da escola para dar uma palestra sobre física aos alunos) sobre a água: "Se você dois recipientes idênticos com volumes iguais de água para que em um deles a água tenha uma temperatura de 35 ° C e no outro - 100 ° C, e coloque-os no freezer, depois no segundo a água congelará mais rapidamente. Por quê? Osborne se interessou por esta questão e logo em 1969, juntamente com Mpemba, publicaram os resultados de seus experimentos na revista "Physics Education". Desde então, o efeito que descobriram é chamado efeito Mpemba.

Até agora, ninguém sabe exatamente como explicar esse estranho efeito. Os cientistas não têm uma única versão, embora existam muitas. É tudo sobre a diferença nas propriedades da água quente e fria, mas ainda não está claro quais propriedades desempenham um papel neste caso: a diferença no super-resfriamento, evaporação, formação de gelo, convecção ou o efeito de gases liquefeitos na água em temperaturas diferentes.

O paradoxo do efeito Mpemba é que o tempo durante o qual o corpo esfria até a temperatura ambiente deve ser proporcional à diferença de temperatura entre este corpo e o ambiente. Esta lei foi estabelecida por Newton e desde então tem sido confirmada muitas vezes na prática. No mesmo efeito, a água a 100°C esfria até 0°C mais rápido do que a mesma quantidade de água a 35°C.

No entanto, isso ainda não implica um paradoxo, uma vez que o efeito Mpemba também pode ser explicado dentro da física conhecida. Aqui estão algumas explicações para o efeito Mpemba:

Evaporação

A água quente evapora mais rápido do recipiente, reduzindo assim seu volume, e um volume menor de água com a mesma temperatura congela mais rápido. A água aquecida a 100 C perde 16% de sua massa quando resfriada a 0 C.

O efeito de evaporação é um efeito duplo. Primeiro, a massa de água necessária para o resfriamento é reduzida. E em segundo lugar, a temperatura diminui devido ao fato de que o calor de evaporação da transição da fase de água para a fase de vapor diminui.

diferença de temperatura

Devido ao fato de que a diferença de temperatura entre a água quente e o ar frio é maior - portanto, a troca de calor neste caso é mais intensa e a água quente esfria mais rápido.

hipotermia

Quando a água é resfriada abaixo de 0 C, ela nem sempre congela. Sob certas condições, ele pode sofrer superresfriamento enquanto continua a permanecer líquido em temperaturas abaixo do ponto de congelamento. Em alguns casos, a água pode permanecer líquida mesmo a -20 C.

A razão para este efeito é que para que os primeiros cristais de gelo comecem a se formar, são necessários centros de formação de cristais. Se eles não estiverem em água líquida, o superresfriamento continuará até que a temperatura caia o suficiente para que os cristais comecem a se formar espontaneamente. Quando eles começam a se formar no líquido super-resfriado, eles começam a crescer mais rápido, formando uma lama de gelo que congela para formar gelo.

A água quente é mais suscetível à hipotermia porque aquecê-la elimina gases dissolvidos e bolhas, que por sua vez podem servir como centros para a formação de cristais de gelo.

Por que a hipotermia faz com que a água quente congele mais rápido? No caso da água fria, que não é super-resfriada, ocorre o seguinte. Nesse caso, uma fina camada de gelo se formará na superfície do recipiente. Essa camada de gelo atuará como um isolante entre a água e o ar frio e evitará uma maior evaporação. A taxa de formação de cristais de gelo neste caso será menor. No caso de água quente submetida a sub-resfriamento, a água sub-resfriada não possui uma camada protetora de gelo na superfície. Portanto, ele perde calor muito mais rápido pela parte superior aberta.

Quando o processo de super-resfriamento termina e a água congela, muito mais calor é perdido e, portanto, mais gelo é formado.

Muitos pesquisadores deste efeito consideram a hipotermia o principal fator no caso do efeito Mpemba.

Convecção

A água fria começa a congelar de cima, piorando assim os processos de radiação e convecção de calor e, portanto, a perda de calor, enquanto a água quente começa a congelar por baixo.

Este efeito é explicado por uma anomalia na densidade da água. A água tem uma densidade máxima de 4 C. Se você resfriar a água a 4 C e colocá-la em uma temperatura mais baixa, a camada superficial da água congelará mais rapidamente. Como essa água é menos densa que a água a 4°C, ela permanecerá na superfície, formando uma fina camada fria. Nessas condições, uma fina camada de gelo se formará na superfície da água por um curto período de tempo, mas essa camada de gelo servirá como isolante protegendo as camadas inferiores de água, que permanecerão a uma temperatura de 4°C. , o resfriamento adicional será mais lento.

No caso da água quente, a situação é completamente diferente. A camada superficial de água esfriará mais rapidamente devido à evaporação e a uma maior diferença de temperatura. Além disso, as camadas de água fria são mais densas do que as camadas de água quente, de modo que a camada de água fria afundará, levantando a camada de água quente para a superfície. Esta circulação de água garante uma rápida queda de temperatura.

Mas por que esse processo não atinge o ponto de equilíbrio? Para explicar o efeito Mpemba a partir deste ponto de vista da convecção, seria necessário assumir que as camadas frias e quentes de água são separadas e o próprio processo de convecção continua após a temperatura média da água cair abaixo de 4°C.

No entanto, não há evidências experimentais para apoiar esta hipótese de que camadas frias e quentes de água são separadas por convecção.

gases dissolvidos na água

Condutividade térmica

Este mecanismo pode desempenhar um papel significativo quando a água é colocada em um freezer em pequenos recipientes. Nestas condições, observou-se que o recipiente com água quente derrete o gelo do freezer sob si mesmo, melhorando assim o contato térmico com a parede do freezer e a condutividade térmica. Como resultado, o calor é removido do recipiente de água quente mais rapidamente do que do frio. Por sua vez, o recipiente com água fria não derrete a neve sob ele.

Todas essas condições (assim como outras) foram estudadas em muitos experimentos, mas não foi obtida uma resposta inequívoca à pergunta - quais delas fornecem 100% de reprodução do efeito Mpemba -.

Assim, por exemplo, em 1995, o físico alemão David Auerbach estudou a influência do superresfriamento da água nesse efeito. Ele descobriu que a água quente, atingindo um estado super-resfriado, congela a uma temperatura mais alta que a água fria e, portanto, mais rápido que esta. Mas a água fria atinge o estado super-resfriado mais rapidamente do que a água quente, compensando assim o atraso anterior.

Além disso, os resultados de Auerbach contradiziam dados anteriores de que a água quente é capaz de obter um superresfriamento maior devido a menos centros de cristalização. Quando a água é aquecida, os gases dissolvidos nela são removidos e, quando fervida, alguns sais dissolvidos nela precipitam.

Até agora, apenas uma coisa pode ser afirmada - a reprodução desse efeito depende essencialmente das condições em que o experimento é realizado. Justamente porque nem sempre é reproduzido.

O. V. Mosin

Literáriofontes:

"A água quente congela mais rápido do que a água fria. Por que isso acontece?", Jearl Walker em The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nº. 3, págs. 246-257; setembro de 1977.

"O congelamento da água quente e fria", G.S. Kell no American Journal of Physics, Vol. 37, não. 5, págs. 564-565; Maio de 1969.

"Superarrefecimento e a Efeito Mpemba", David Auerbach, em American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Out, 1995.

"O efeito Mpemba: Os tempos de congelamento de água quente e fria", Charles A. Knight, no American Journal of Physics, Vol. 64, nº. 5, página 524; maio de 1996.

Água- uma substância bastante simples com ponto químico visão, no entanto, tem uma série de propriedades incomuns que nunca deixam de surpreender os cientistas. Abaixo estão alguns fatos que poucas pessoas conhecem.

1. Qual água congela mais rápido - fria ou quente?

Pegue dois recipientes de água: despeje água quente em um e água fria no outro e coloque-os no freezer. A água quente congela mais rápido do que a água fria, embora logicamente a água fria deva ter se transformado em gelo primeiro: afinal, a água quente deve primeiro esfriar até a temperatura fria e depois se transformar em gelo, enquanto a água fria não precisa esfriar. Por que isso está acontecendo?

Em 1963, um estudante tanzaniano chamado Erasto B. Mpemba, enquanto congelava uma mistura de sorvete preparada, notou que a mistura quente solidificava mais rápido no freezer do que a fria. Quando o jovem compartilhou sua descoberta com um professor de física, ele apenas riu dele. Felizmente, o aluno foi persistente e convenceu o professor a realizar um experimento, que confirmou sua descoberta: em certas condições A água quente realmente congela mais rápido que a água fria.

Agora, esse fenômeno de água quente congelando mais rápido que a água fria é chamado de " efeito Mpemba". É verdade que, muito antes dele, essa propriedade única da água foi observada por Aristóteles, Francis Bacon e René Descartes.

Os cientistas não entendem completamente a natureza desse fenômeno, explicando-o pela diferença de hipotermia, evaporação, formação de gelo, convecção ou efeito de gases liquefeitos em água quente e fria.

2. Ela é capaz de congelar instantaneamente

Todo mundo sabe disso agua sempre se transforma em gelo quando resfriado a 0 °C ... exceto em alguns casos! Tal caso, por exemplo, é o superresfriamento, que é uma propriedade muito água limpa permanecem líquidos mesmo quando refrigerados abaixo de zero. Esse fenômeno é possível pelo fato de que Meio Ambiente não contém centros ou núcleos de cristalização, o que poderia provocar a formação de cristais de gelo. E assim a água permanece na forma líquida, mesmo quando resfriada a temperaturas abaixo de zero graus Celsius.

processo de cristalização pode ser provocada, por exemplo, por bolhas de gás, impurezas (poluição), superfície irregular do recipiente. Sem eles, a água permanecerá em estado líquido. Quando o processo de cristalização começa, você pode observar como a água super-resfriada se transforma instantaneamente em gelo.

Observe que a água "superaquecida" também permanece líquida mesmo quando aquecida acima de seu ponto de ebulição.

3. 19 estados da água

Sem hesitar, diga quantos estados diferentes a água tem? Se você respondeu três: sólido, líquido, gasoso, está enganado. Os cientistas distinguem pelo menos 5 estados diferentes de água na forma líquida e 14 estados na forma congelada.

Lembra da conversa sobre água super-resfriada? Portanto, não importa o que você faça, a -38 ° C, até a mais pura água super-resfriada de repente se transformará em gelo. O que acontece quando a temperatura cai ainda mais? A -120°C, algo estranho começa a acontecer com a água: ela se torna superviscosa ou viscosa, como o melaço, e em temperaturas abaixo de -135°C, ela se transforma em água "vítrea" ou "vítrea" - uma substância sólida que carece de estrutura cristalina.

4. A água surpreende os físicos

No nível molecular, a água é ainda mais surpreendente. Em 1995, um experimento de espalhamento de nêutrons conduzido por cientistas deu um resultado inesperado: os físicos descobriram que os nêutrons direcionados às moléculas de água “vêem” 25% menos prótons de hidrogênio do que o esperado.

Descobriu-se que na velocidade de um attosegundo (10 -18 segundos) ocorre um efeito quântico incomum e Fórmula químicaágua em vez disso H2O, torna-se H1.5O!

5. Memória da água

Alternativa à medicina oficial homeopatia afirma que uma solução diluída medicamento pode ter um efeito terapêutico no corpo, mesmo que o fator de diluição seja tão grande que não reste nada na solução além de moléculas de água. Os defensores da homeopatia explicam esse paradoxo com um conceito chamado " memória da água”, segundo a qual a água no nível molecular tem uma “memória” de uma substância que já foi dissolvida nela e retém as propriedades de uma solução da concentração inicial depois que nenhuma molécula de ingrediente permanece nela.

Uma equipe internacional de cientistas liderada pela professora Madeleine Ennis, da Queen's University of Belfast, que criticou os princípios da homeopatia, realizou um experimento em 2002 para refutar o conceito de uma vez por todas. O resultado foi o contrário. Depois disso, os cientistas disseram que conseguiram provar a realidade do efeito " memória da água". No entanto, experimentos conduzidos sob a supervisão de especialistas independentes não trouxeram resultados. Disputas sobre a existência do fenômeno" memória da água" Prosseguir.

A água tem muitas outras propriedades incomuns que não abordamos neste artigo. Por exemplo, a densidade da água varia com a temperatura (a densidade do gelo é menor que a da água); a água tem uma tensão superficial bastante grande; em estado líquido, a água é uma rede complexa e dinâmica de aglomerados de água, e é o comportamento dos aglomerados que afeta a estrutura da água, etc.

Sobre esses e muitos outros recursos inesperados agua pode ser lido no artigo Propriedades anômalas da água”, cujo autor é Martin Chaplin, professor da Universidade de Londres.

Muitos pesquisadores apresentaram e estão apresentando suas próprias versões sobre por que a água quente congela mais rápido do que a água fria. Parece um paradoxo - afinal, para congelar, a água quente precisa primeiro esfriar. No entanto, o fato permanece, e os cientistas o explicam de maneiras diferentes.

Versões principais

No este momento Existem várias versões que explicam esse fato:

Como a evaporação em água quente é mais rápida, seu volume diminui. Uma quantidade menor de água com a mesma temperatura congela mais rapidamente.
O compartimento do congelador do frigorífico tem um revestimento de neve. Um recipiente contendo água quente derrete a neve embaixo. Isso melhora o contato térmico com o freezer.
O congelamento da água fria, ao contrário da quente, começa de cima. Neste caso, a convecção e a radiação de calor e, consequentemente, a perda de calor pioram.
Na água fria existem centros de cristalização - substâncias dissolvidas nela. Com seu pequeno conteúdo em água, o gelo é difícil, embora ao mesmo tempo seja possível superesfriá-lo - quando está em estado líquido em temperaturas abaixo de zero.

Embora com justiça, pode-se dizer que esse efeito nem sempre é observado. A água fria geralmente congela mais rápido do que a água quente.

A que temperatura a água congela

Por que a água congela afinal? Contém uma certa quantidade de partículas minerais ou orgânicas. Isso, por exemplo, pode ser muito pequenas partículas areia, pó ou argila. À medida que a temperatura do ar cai, essas partículas tornam-se centros em torno dos quais se formam cristais de gelo.

O papel dos núcleos de cristalização também pode ser desempenhado por bolhas de ar e rachaduras em um recipiente contendo água. A taxa do processo de transformar água em gelo é amplamente influenciada pelo número de tais centros - se houver muitos deles, o líquido congela mais rapidamente. Em condições normais, com pressão atmosférica, a água se transforma em um estado sólido a partir de um líquido a uma temperatura de 0 graus.

A essência do efeito Mpemba

O efeito Mpemba é entendido como um paradoxo, cuja essência é que, em determinadas circunstâncias, a água quente congela mais rapidamente do que a água fria. Este fenômeno foi observado por Aristóteles e Descartes. No entanto, foi somente em 1963 que Erasto Mpemba, um estudante da Tanzânia, determinou que o sorvete quente congelasse em mais de pouco tempo do que frio. Ele chegou a tal conclusão enquanto realizava a tarefa de cozinhar.

Ele tinha que dissolver o açúcar no leite fervido e, depois de esfriá-lo, colocá-lo na geladeira para congelar. Aparentemente, Mpemba não diferiu em diligência especial e começou a realizar a primeira parte da tarefa tarde. Portanto, ele não esperou o leite esfriar e o colocou na geladeira quente. Ele ficou muito surpreso quando congelou ainda mais rápido que o de seus colegas, que fizeram o trabalho de acordo com a tecnologia fornecida.

Este fato interessou muito o jovem, e ele começou experimentos com água pura. Em 1969, a revista Physics Education publicou os resultados da pesquisa de Mpemba e do professor Dennis Osborn da Universidade de Dar es Salaam. O efeito que eles descreveram recebeu o nome de Mpemba. No entanto, ainda hoje não há uma explicação clara para o fenômeno. Todos os cientistas concordam que o principal papel nisso pertence às diferenças nas propriedades da água gelada e quente, mas o que exatamente é desconhecido.

Versão de Cingapura

Físicos de uma das universidades de Cingapura também estavam interessados na questão: qual água congela mais rápido - quente ou fria? Uma equipe de pesquisadores liderada por Xi Zhang explicou esse paradoxo justamente pelas propriedades da água. Todo mundo ainda conhece a composição da água da escola - um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. O oxigênio até certo ponto atrai elétrons do hidrogênio, então a molécula é um certo tipo de "ímã".

Como resultado, certas moléculas na água são levemente atraídas umas pelas outras e são unidas por uma ligação de hidrogênio. Sua força é muitas vezes menor do que a ligação covalente. Pesquisadores de Cingapura acreditam que a explicação do paradoxo de Mpemba está justamente nas ligações de hidrogênio. Se as moléculas de água forem colocadas muito próximas umas das outras, uma interação tão forte entre as moléculas pode deformar a ligação covalente no meio da própria molécula.

Mas quando a água é aquecida, as moléculas ligadas se afastam ligeiramente umas das outras. Como resultado, o relaxamento das ligações covalentes ocorre no meio das moléculas com o retorno do excesso de energia e a transição para o nível de energia mais baixo. Isso leva ao fato de que a água quente começa a esfriar rapidamente. Pelo menos, é o que mostram os cálculos teóricos realizados por cientistas de Cingapura.