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A British Royal Society of Chemistry está oferecendo uma recompensa de £ 1.000 para quem puder explicar cientificamente por que, em alguns casos água quente congela mais rápido do que frio.

“A ciência moderna ainda não consegue responder a essa pergunta aparentemente simples. Sorveteiros e bartenders usam esse efeito em seus trabalho diário, mas ninguém sabe realmente por que funciona. Esse problema é conhecido há milênios, filósofos como Aristóteles e Descartes pensaram sobre isso”, disse o presidente da Sociedade Real Britânica de Química, professor David Philips, citado em um comunicado da Sociedade.

Como um chef africano venceu um professor de física britânico

não é piada de primeiro de abril mas dura realidade física. A ciência de hoje, que opera facilmente em galáxias e buracos negros, construindo aceleradores gigantes para procurar quarks e bósons, não consegue explicar como a água elementar "funciona". Livro escolar afirma inequivocamente que leva mais tempo para resfriar um corpo mais quente do que resfriar um corpo frio. Mas para a água, essa lei nem sempre é observada. Aristóteles chamou a atenção para este paradoxo no século 4 aC. e. Aqui está o que ele escreveu grego antigo in Meteorologica I: “O fato de a água ser pré-aquecida contribui para o seu congelamento. Portanto, muitas pessoas, quando querem resfriar rapidamente a água quente, primeiro a colocam no sol ... ”Na Idade Média, Francis Bacon e René Descartes tentaram explicar esse fenômeno. Infelizmente, nem os grandes filósofos nem os numerosos cientistas que desenvolveram a física térmica clássica conseguiram isso e, portanto, um fato tão inconveniente foi "esquecido" por muito tempo.

E só em 1968 eles “lembraram” graças ao estudante Erasto Mpemba da Tanzânia, longe de qualquer ciência. Enquanto estudava em uma escola de culinária, em 1963, Mpembe, de 13 anos, recebeu a tarefa de fazer sorvete. De acordo com a tecnologia, era necessário ferver o leite, dissolver o açúcar nele, resfriá-lo para temperatura do quarto e depois coloque na geladeira para congelar. Aparentemente, Mpemba não era um aluno diligente e hesitou. Temendo não chegar a tempo ao final da aula, colocou leite ainda quente na geladeira. Para sua surpresa, congelou ainda mais cedo do que o leite de seus companheiros, preparado de acordo com todas as regras.

Quando Mpemba compartilhou sua descoberta com um professor de física, ele zombou dele na frente de toda a turma. Mpemba lembrou-se do insulto. Cinco anos depois, já estudante da Universidade de Dar es Salaam, assistiu a uma palestra do famoso físico Denis G. Osborn. Após a palestra, ele fez uma pergunta ao cientista: “Se você pegar dois recipientes idênticos com a mesma quantidade de água, um a 35°C (95°F) e outro a 100°C (212°F), e colocar no freezer, a água em um recipiente quente congelará mais rápido. Por que?" Você pode imaginar a reação de um professor britânico a uma pergunta de um jovem da Tanzânia esquecida por Deus. Ele zombou do aluno. No entanto, Mpemba estava pronto para tal resposta e desafiou o cientista a uma aposta. O argumento deles culminou em um teste experimental que provou que Mpemba estava certo e Osborne derrotado. Assim, o aluno-cozinheiro inscreveu seu nome na história da ciência, e doravante esse fenômeno é chamado de "efeito Mpemba". Descartá-lo, declará-lo como se "inexistente" não funciona. O fenômeno existe e, como escreveu o poeta, "não no dente com o pé".

As partículas de poeira e substâncias dissolvidas são as culpadas?

Ao longo dos anos, muitos tentaram desvendar o mistério da água congelada. Foi oferecido um buquê inteiro explicações para esse fenômeno: evaporação, convecção, influência de substâncias dissolvidas - mas nenhum desses fatores pode ser considerado definitivo. Vários cientistas dedicaram suas vidas inteiras ao efeito Mpemba. Funcionário do Departamento de Segurança Radiológica Universidade Estadual da cidade de Nova York, James Brownridge estuda o paradoxo em seu tempo livre há mais de uma década. Após realizar centenas de experimentos, o cientista afirma ter evidências da “culpa” da hipotermia. Brownridge explica que a 0°C, a água apenas superesfria e começa a congelar quando a temperatura cai abaixo. O ponto de congelamento é regulado por impurezas na água - elas alteram a taxa de formação de cristais de gelo. As impurezas, que são partículas de poeira, bactérias e sais dissolvidos, têm sua temperatura de nucleação característica, quando cristais de gelo se formam ao redor dos centros de cristalização. Quando há vários elementos na água ao mesmo tempo, o ponto de congelamento é determinado por aquele com maior temperatura de nucleação.

Para o experimento, Brownridge pegou duas amostras de água na mesma temperatura e as colocou em um freezer. Ele descobriu que um dos espécimes sempre congela antes do outro - presumivelmente devido a uma combinação diferente de impurezas.

Brownridge afirma que a água quente esfria mais rápido devido à maior diferença de temperatura entre a água e o freezer - isso ajuda a atingir seu ponto de congelamento antes que a água fria atinja seu ponto de congelamento natural, que é pelo menos 5°C mais baixo.

No entanto, o raciocínio de Brownridge levanta muitas questões. Portanto, quem conseguir explicar o efeito Mpemba à sua maneira tem a chance de concorrer a mil libras esterlinas da British Royal Society of Chemistry.

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, 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 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 limitou-se a rir do aluno, dizendo o seguinte: "Esta não é a 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 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. 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 meio 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 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 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 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 não aquecida. água fria. Portanto, o ponto de congelamento da água aquecida é maior e congela mais rápido. Este fator é por vezes considerado 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 mais superresfriamento 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, 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(Paradoxo de Mpemba) 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 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 em termos de 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 de 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 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 rápido. Este fator é por vezes considerado 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 mais superresfriamento 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.

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 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 de 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 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 rápido. Este fator é por vezes considerado 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 mais superresfriamento 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, 1996.

Qual água congela mais rápido, quente ou fria, é influenciada por muitos fatores, mas a questão em si parece um pouco estranha. Entende-se, e é sabido da física, que a água quente ainda precisa de tempo para esfriar até a temperatura da água fria comparável para se transformar em gelo. A água fria pode pular essa etapa e, consequentemente, vence com o tempo.

Mas a resposta para a pergunta de qual água congela mais rápido - fria ou quente - na rua com geada, qualquer habitante das latitudes do norte sabe. De fato, cientificamente, verifica-se que, em qualquer caso, a água fria simplesmente precisa congelar mais rapidamente.

O mesmo fez o professor de física, que foi abordado pelo estudante Erasto Mpemba em 1963 com um pedido para explicar por que a mistura fria do futuro sorvete congela mais do que um similar, mas quente.

"Isso não é física mundial, mas algum tipo de física Mpemba"

Naquela época, o professor só ria disso, mas Deniss Osborne, professor de física, que certa vez frequentou a mesma escola onde Erasto estudou, confirmou experimentalmente a existência de tal efeito, embora não houvesse explicação para isso na época. . Em 1969, no popular Jornal cientifico publicou um artigo conjunto dessas duas pessoas que descreveu esse efeito peculiar.

Desde então, aliás, a questão de qual água congela mais rápido - quente ou fria, tem nome próprio - o efeito, ou paradoxo, Mpemba.

A questão já existe há muito tempo

Naturalmente, esse fenômeno já ocorreu antes e foi mencionado nos trabalhos de outros cientistas. Não só o estudante se interessou por essa questão, mas René Descartes e até mesmo Aristóteles pensaram nisso uma vez.

Aqui estão apenas abordagens para resolver esse paradoxo que começaram a aparecer apenas no final do século XX.

Condições para que um paradoxo ocorra

Tal como acontece com o sorvete, não é apenas a água comum que congela durante o experimento. Deve comparecer certas condições para começar a discutir qual água congela mais rápido - fria ou quente. O que influencia esse processo?

Agora, no século 21, várias opções foram apresentadas que podem explicar esse paradoxo. Qual água congela mais rápido, quente ou fria, pode depender do fato de ter uma taxa de evaporação maior do que a água fria. Assim, seu volume diminui e, com a diminuição do volume, o tempo de congelamento se torna menor do que se tomarmos um volume inicial semelhante de água fria.

O freezer está descongelado há muito tempo

Qual água congela mais rápido, e por que isso acontece, pode ser afetado pelo revestimento de neve que pode estar presente no freezer da geladeira usada para o experimento. Se você pegar dois recipientes que são idênticos em volume, mas um deles terá água quente e o outro água fria, o recipiente com água quente derreterá a neve sob ele, melhorando assim o contato do nível térmico com a parede da geladeira. Um recipiente de água fria não pode fazer isso. Se não houver tal revestimento com neve na geladeira, a água fria deve congelar mais rapidamente.

Parte superior - inferior

Além disso, o fenômeno de que a água congela mais rapidamente - quente ou fria, é explicado a seguir. Seguindo certas leis, a água fria começa a congelar nas camadas superiores, quando a água quente faz o contrário - começa a congelar de baixo para cima. Acontece que a água fria, tendo por cima uma camada fria com gelo já formado em alguns lugares, prejudica assim os processos de convecção e radiação térmica, explicando assim qual água congela mais rápido - fria ou quente. Uma foto de experimentos amadores está anexada e aqui é claramente visível.

O calor sai, tendendo para cima, e ali encontra uma camada muito fria. auto-estrada para radiação de calor não está disponível, então o processo de resfriamento se torna difícil. A água quente não tem absolutamente tais barreiras em seu caminho. O que congela mais rápido - frio ou quente, do qual depende o resultado provável, você pode expandir a resposta dizendo que qualquer água tem certas substâncias dissolvidas nela.

Impurezas na composição da água como fator que influencia o resultado

Se você não trapacear e usar água com a mesma composição, onde as concentrações de certas substâncias são idênticas, a água fria deve congelar mais rapidamente. Mas se ocorrer uma situação em que a dissolução elementos químicos disponíveis apenas em água quente, enquanto a água fria não os possui, existe a possibilidade de a água quente congelar mais cedo. Isso é explicado pelo fato de que as substâncias dissolvidas na água criam centros de cristalização e, com um pequeno número desses centros, a transformação da água em estado sólido é difícil. Até mesmo o superresfriamento da água é possível, no sentido de que em temperaturas abaixo de zero ela estará em estado líquido.

Mas todas essas versões, aparentemente, não agradaram aos cientistas até o fim, e eles continuaram trabalhando nessa questão. Em 2013, uma equipe de pesquisadores em Cingapura disse ter resolvido o antigo mistério.

Um grupo de cientistas chineses afirma que o segredo desse efeito está na quantidade de energia que é armazenada entre as moléculas de água em suas ligações, chamadas de ligações de hidrogênio.

A resposta dos cientistas chineses

Mais informações virão a seguir, para a compreensão das quais é necessário ter algum conhecimento em química para descobrir qual água congela mais rápido - quente ou fria. Como você sabe, ele consiste em dois átomos de H (hidrogênio) e um átomo de O (oxigênio) unidos por ligações covalentes.

Mas os átomos de hidrogênio de uma molécula também são atraídos pelas moléculas vizinhas, pelo seu componente de oxigênio. Essas ligações são chamadas de ligações de hidrogênio.

Ao mesmo tempo, vale lembrar que, ao mesmo tempo, as moléculas de água agem de forma repulsiva umas sobre as outras. Os cientistas observaram que quando a água é aquecida, a distância entre suas moléculas aumenta, e isso é facilitado por forças repulsivas. Acontece que ocupando uma distância entre as moléculas em estado frio, pode-se dizer que elas se esticam, e possuem um suprimento maior de energia. É essa reserva de energia que é liberada quando as moléculas de água começam a se aproximar, ou seja, ocorre o resfriamento. Acontece que uma maior oferta de energia na água quente, e sua maior liberação quando resfriada a temperaturas abaixo de zero, ocorre mais rapidamente do que na água fria, que possui uma oferta menor dessa energia. Então, qual água congela mais rápido - fria ou quente? Na rua e no laboratório, o paradoxo de Mpemba deve ocorrer, e a água quente deve se transformar em gelo mais rapidamente.

Mas a questão ainda está em aberto

Há apenas confirmação teórica dessa pista - tudo isso está escrito em belas fórmulas e parece plausível. Mas quando os dados experimentais, que a água congela mais rápido - quente ou frio, forem colocados em um sentido prático, e seus resultados forem apresentados, então será possível considerar encerrada a questão do paradoxo de Mpemba.