Waarom bevriest warm water sneller dan koud water?

Bij welke temperatuur bevriest water? Het lijkt de eenvoudigste vraag die zelfs een kind kan beantwoorden: het vriespunt van water bij een normale atmosferische druk van 760 mmHg is nul graden Celsius.

Water (ondanks zijn extreem brede verspreiding op onze planeet) is echter de meest mysterieuze en niet volledig begrepen substantie, dus het antwoord op deze vraag vereist een gedetailleerde en beredeneerde discussie.

In Rusland en Europa wordt de temperatuur gemeten op de schaal van Celsius, waarvan de hoogste waarde 100 graden is.
De Amerikaanse wetenschapper Fahrenheit ontwikkelde zijn eigen schaal met 180 verdelingen.
Er is nog een andere eenheid voor temperatuurmeting - kelvin, genoemd naar de Engelse natuurkundige Thomson, die de titel Lord Kelvin ontving.

Staten en soorten water

Water op planeet Aarde kan drie hoofdstaten van aggregatie aannemen: vloeibaar, vast en gasvormig, die kunnen veranderen in verschillende vormen die gelijktijdig naast elkaar bestaan (ijsbergen in zeewater, waterdamp en ijskristallen in wolken in de lucht, gletsjers en vrije -stromende rivieren).

Afhankelijk van de kenmerken van herkomst, doel en samenstelling kan water:

vers;
mineraal;
nautisch;
drinken (hier nemen we kraanwater mee);
regen;
ontdooid;
brak;
gestructureerd;
gedistilleerd;
gedeïoniseerd.

De aanwezigheid van waterstofisotopen maakt water:

licht;
zwaar (deuterium);
superzwaar (tritium).

We weten allemaal dat water zacht en hard kan zijn: deze indicator wordt bepaald door het gehalte aan magnesium- en calciumkationen.

Elk van de soorten en geaggregeerde toestanden van water die we hebben opgesomd, heeft zijn eigen vries- en smeltpunt.

Vriespunt van water

Waarom bevriest water? Gewoon water bevat altijd een hoeveelheid zwevende deeltjes van minerale of organische oorsprong. Het kunnen de kleinste deeltjes klei, zand of huisstof zijn.

Wanneer de omgevingstemperatuur tot bepaalde waarden daalt, nemen deze deeltjes de rol aan van centra waarrond zich ijskristallen beginnen te vormen.

Luchtbellen, evenals scheuren en beschadigingen aan de wanden van het vat waarin water zich bevindt, kunnen ook kristallisatiekernen worden. De snelheid van waterkristallisatie wordt grotendeels bepaald door het aantal van deze centra: hoe meer van hen, hoe sneller de vloeistof bevriest.

Onder normale omstandigheden (bij normale atmosferische druk) is de temperatuur van de faseovergang van water van een vloeistof naar een vaste toestand 0 graden Celsius. Het is bij deze temperatuur dat het water op straat bevriest.

Waarom bevriest warm water sneller dan koud water?

Heet water bevriest sneller dan koud water - dit fenomeen werd opgemerkt door Erasto Mpemba, een schooljongen uit Tanganyika. Zijn experimenten met massa voor het maken van ijs toonden aan dat de bevriezingssnelheid van de verwarmde massa veel hoger is dan de koude.

Een van de redenen voor dit interessante fenomeen, de "Mpemba-paradox", is de hogere warmteoverdracht van een hete vloeistof, evenals de aanwezigheid van een groter aantal kristallisatiekernen daarin in vergelijking met koud water.

Zijn het vriespunt van water en hoogte gerelateerd?

Met een verandering in druk, vaak geassocieerd met het zijn op verschillende hoogten, begint het vriespunt van water radicaal te verschillen van de standaard, kenmerkend voor normale omstandigheden.
Kristallisatie van water op hoogte vindt plaats bij de volgende temperatuurwaarden:

paradoxaal genoeg bevriest water op een hoogte van 1000 m bij 2 graden Celsius;
op 2000 meter hoogte gebeurt dit al bij 4 graden Celsius.

De hoogste vriestemperatuur van water in de bergen wordt waargenomen op een hoogte van meer dan 5.000 duizend meter (bijvoorbeeld in het Fann-gebergte of de Pamirs).

Hoe beïnvloedt druk het proces van waterkristallisatie?

Laten we proberen de dynamiek van veranderingen in het vriespunt van water te koppelen aan veranderingen in druk.

Bij een druk van 2 atm bevriest water bij een temperatuur van -2 graden.
Bij een druk van 3 atm begint de temperatuur van -4 graden Celsius water te bevriezen.

Met verhoogde druk neemt de temperatuur van het begin van het waterkristallisatieproces af en neemt het kookpunt toe. Bij lage druk wordt een diametraal tegengesteld beeld verkregen.

Dat is de reden waarom het in omstandigheden van hoge bergen en een ijle atmosfeer erg moeilijk is om zelfs eieren te koken, omdat het water in de pot al op 80 graden kookt. Het is duidelijk dat het bij deze temperatuur gewoon onmogelijk is om voedsel te koken.

Bij hoge druk vindt het smelten van ijs onder de bladen van de schaatsen plaats, zelfs bij zeer lage temperaturen, maar het is dankzij dit dat de schaatsen op het ijsoppervlak glijden.

Het bevriezen van skids van zwaarbeladen sleeën in de verhalen van Jack London wordt op een vergelijkbare manier uitgelegd. Zware sleden die druk uitoefenen op de sneeuw zorgen ervoor dat deze smelt. Het resulterende water vergemakkelijkt hun glijden. Maar zodra de sleden stoppen en lange tijd op één plek blijven hangen, bevriest het verplaatste water, bevriezend, de glijbanen op de weg.

Kristallisatietemperatuur van waterige oplossingen

Omdat het een uitstekend oplosmiddel is, reageert water gemakkelijk met verschillende organische en anorganische stoffen, waarbij een massa van soms onverwachte chemische verbindingen wordt gevormd. Natuurlijk zal elk van hen bij verschillende temperaturen bevriezen. Laten we dit in een visuele lijst zetten.

Het vriespunt van een mengsel van alcohol en water is afhankelijk van het percentage van beide componenten erin. Hoe meer water aan de oplossing wordt toegevoegd, hoe dichter bij nul het vriespunt. Als er meer alcohol in de oplossing zit, begint het kristallisatieproces bij waarden dicht bij -114 graden.
Het is belangrijk om te weten dat water-alcoholoplossingen geen vast vriespunt hebben. Meestal praten ze over de temperatuur van het begin van het kristallisatieproces en de temperatuur van de uiteindelijke overgang naar de vaste toestand.
Tussen het begin van de vorming van de eerste kristallen en de volledige stolling van de alcoholoplossing ligt een temperatuurinterval van 7 graden. Het vriespunt van water met een alcoholconcentratie van 40% in de beginfase is dus -22,5 graden, en de uiteindelijke overgang van de oplossing naar de vaste fase zal plaatsvinden bij -29,5 graden.

Het vriespunt van water met zout hangt nauw samen met de mate van zoutgehalte: hoe meer zout in de oplossing, hoe lager de positie van de kwikkolom zal bevriezen.

Om het zoutgehalte van water te meten, wordt een speciale eenheid gebruikt - "ppm". We hebben dus ontdekt dat het vriespunt van water afneemt met toenemende zoutconcentratie. Laten we dit uitleggen met een voorbeeld:

Het zoutgehalte van oceaanwater is 35 ppm, terwijl de gemiddelde waarde van het bevriezen 1,9 graden is. Het zoutgehalte van de wateren van de Zwarte Zee is 18-20 ppm, dus ze bevriezen bij een hogere temperatuur in het bereik van -0,9 tot -1,1 graden Celsius.

Het vriespunt van water met suiker (voor een oplossing waarvan de molaliteit 0,8 is) is -1,6 graden.
Het vriespunt van water met onzuiverheden hangt grotendeels af van de hoeveelheid en de aard van de onzuiverheden waaruit de waterige oplossing bestaat.
Het vriespunt van water met glycerine is afhankelijk van de concentratie van de oplossing. Een oplossing die 80 ml glycerine bevat, bevriest bij -20 graden, wanneer het glycerolgehalte wordt verlaagd tot 60 ml, begint het kristallisatieproces bij -34 graden en het begin van het invriezen van een 20% -oplossing zal min vijf graden zijn. Zoals u kunt zien, is er in dit geval geen lineair verband. Om een 10% oplossing van glycerine te bevriezen is een temperatuur van -2 graden voldoende.
Het vriespunt van water met soda (wat bijtende alkali of bijtende soda betekent) geeft een nog mysterieuzer beeld: een 44% bijtende oplossing bevriest bij +7 graden Celsius en 80% bij +130.

Bevriezing van zoet water

Het proces van ijsvorming in zoetwaterreservoirs vindt plaats in een iets ander temperatuurregime.

Het vriespunt van water in een meer is, net als het vriespunt van water in een rivier, nul graden Celsius. Het bevriezen van de schoonste rivieren en beken begint niet vanaf het oppervlak, maar vanaf de bodem, waarop zich kristallisatiekernen bevinden in de vorm van bodemslibdeeltjes. In het begin zijn haken en ogen en waterplanten bedekt met een korst van ijs. Zodra het bodemijs naar de oppervlakte komt, bevriest de rivier onmiddellijk.
Bevroren water op het Baikalmeer kan soms afkoelen tot negatieve temperaturen. Dit gebeurt alleen in ondiep water; de watertemperatuur kan in dit geval duizendsten en soms honderdsten van één graad onder nul zijn.
De temperatuur van het Baikal-water onder de korst van de ijslaag is in de regel niet hoger dan +0,2 graden. In de onderste lagen stijgt het geleidelijk tot +3,2 op de bodem van het diepste bassin.

Vriespunt van gedestilleerd water

Bevriest gedestilleerd water? Bedenk dat om water te bevriezen, het noodzakelijk is om enkele kristallisatiecentra erin te hebben, dit kunnen luchtbellen, zwevende deeltjes zijn, evenals schade aan de wanden van de container waarin het zich bevindt.

Gedestilleerd water, volledig vrij van onzuiverheden, heeft geen kristallisatiekernen en daarom begint het bevriezen bij zeer lage temperaturen. Het initiële vriespunt van gedestilleerd water is -42 graden. Wetenschappers zijn erin geslaagd om onderkoeling van gedestilleerd water tot -70 graden te bereiken.

Water dat aan zeer lage temperaturen is blootgesteld maar niet is uitgekristalliseerd, wordt "onderkoeld" genoemd. Je kunt een fles gedestilleerd water in de vriezer plaatsen, het onderkoelen en vervolgens een zeer effectieve truc demonstreren - zie de video:

Door zachtjes op een fles uit de koelkast te tikken, of door er een klein stukje ijs in te gooien, kun je laten zien hoe het in één keer verandert in ijs, dat eruitziet als langwerpige kristallen.

Gedestilleerd water: bevriest deze gezuiverde stof of niet onder druk? Een dergelijk proces is alleen mogelijk in speciaal gecreëerde laboratoriumomstandigheden.

Vriespunt van zout water

Welk water sneller bevriest, warm of koud, wordt door veel factoren beïnvloed, maar de vraag zelf lijkt een beetje vreemd. Het is duidelijk, en het is bekend uit de natuurkunde, dat warm water nog tijd nodig heeft om af te koelen tot de temperatuur van vergelijkbaar koud water om in ijs te veranderen. deze fase kan worden overgeslagen en dienovereenkomstig wint ze op tijd.

Maar het antwoord op de vraag welk water sneller bevriest - koud of warm - op straat bij vorst, weet elke inwoner van de noordelijke breedtegraden. Sterker nog, wetenschappelijk blijkt dat koud water sowieso gewoon sneller moet bevriezen.

Dat gold ook voor de natuurkundeleraar, die in 1963 door de schooljongen Erasto Mpemba werd benaderd met het verzoek om uit te leggen waarom het koude mengsel van toekomstig ijs langer bevriest dan een vergelijkbaar, maar heet ijs.

"Dit is geen wereldfysica, maar een soort Mpemba-fysica"

Op dat moment lachte de leraar hier alleen maar om, maar Deniss Osborne, een professor in de natuurkunde, die ooit naar dezelfde school ging waar Erasto studeerde, bevestigde experimenteel het bestaan van een dergelijk effect, hoewel er toen geen verklaring voor was . In 1969 publiceerde een populair wetenschappelijk tijdschrift een gezamenlijk artikel van de twee mannen die dit eigenaardige effect beschreven.

Sindsdien heeft trouwens de vraag welk water sneller bevriest - warm of koud, zijn eigen naam - het effect, of paradox, Mpemba.

De vraag bestaat al heel lang

Natuurlijk heeft een dergelijk fenomeen eerder plaatsgevonden en werd het genoemd in de werken van andere wetenschappers. Niet alleen de schooljongen was geïnteresseerd in deze vraag, maar Rene Descartes en zelfs Aristoteles hebben er ooit over nagedacht.

Hier zijn slechts benaderingen om deze paradox op te lossen die pas aan het einde van de twintigste eeuw begonnen te kijken.

Voorwaarden voor het optreden van een paradox

Net als bij ijs, is het niet alleen gewoon water dat bevriest tijdens het experiment. Er moeten bepaalde voorwaarden aanwezig zijn om te kunnen argumenteren welk water sneller bevriest - koud of heet. Wat beïnvloedt dit proces?

Nu, in de 21e eeuw, zijn er verschillende opties naar voren geschoven die deze paradox kunnen verklaren. Welk water sneller bevriest, warm of koud, kan afhangen van het feit dat het een hogere verdampingssnelheid heeft dan koud water. Het volume neemt dus af en met een afname van het volume wordt de bevriezingstijd korter dan wanneer we een vergelijkbaar aanvankelijk volume koud water nemen.

Vriezer is lang ontdooid geweest

Welk water sneller bevriest en waarom het dat doet, kan worden beïnvloed door de sneeuwlaag die aanwezig kan zijn in de vriezer van de koelkast die voor het experiment wordt gebruikt. Als u twee containers neemt die qua volume identiek zijn, maar een van hen heeft warm water en de andere koud water, zal de container met heet water de sneeuw eronder smelten, waardoor het contact van het thermische niveau met de koelkastwand wordt verbeterd. Een koudwaterbak kan dat niet. Als er geen voering met sneeuw in de koelkast is, zou koud water sneller moeten bevriezen.

Boven - onder

Ook wordt het fenomeen waarbij water sneller bevriest - warm of koud, als volgt uitgelegd. Volgens bepaalde wetten begint koud water uit de bovenste lagen te bevriezen, terwijl warm water het andersom doet - het begint van onder naar boven te bevriezen. Het blijkt dat koud water, met een koude laag erop en op sommige plaatsen al ijs gevormd, dus de processen van convectie en thermische straling verergert, waardoor wordt verklaard welk water sneller bevriest - koud of heet. Een foto van amateurexperimenten is bijgevoegd en hier is deze duidelijk zichtbaar.

De warmte gaat naar buiten, neigt naar boven, en daar ontmoet het een zeer koele laag. Er is geen vrije weg voor warmtestraling, dus het koelproces wordt moeilijk. Heet water heeft absoluut geen dergelijke barrières op zijn pad. Wat sneller bevriest - koud of warm, waarvan de waarschijnlijke uitkomst afhangt, je kunt het antwoord uitbreiden door te zeggen dat in elk water bepaalde stoffen zijn opgelost.

Onzuiverheden in de samenstelling van water als factor die de uitkomst beïnvloedt

Als je niet vals speelt en water met dezelfde samenstelling gebruikt, waarbij de concentraties van bepaalde stoffen identiek zijn, dan zou koud water sneller moeten bevriezen. Maar als zich een situatie voordoet waarin opgeloste chemische elementen alleen in warm water aanwezig zijn, terwijl koud water ze niet heeft, dan heeft warm water de mogelijkheid om eerder te bevriezen. Dit wordt verklaard door het feit dat de opgeloste stoffen in water kristallisatiecentra creëren, en met een klein aantal van deze centra is de transformatie van water in een vaste toestand moeilijk. Zelfs onderkoeling van water is mogelijk, in die zin dat het bij temperaturen onder het vriespunt in vloeibare toestand zal zijn.

Maar al deze versies waren blijkbaar niet geschikt voor de wetenschappers tot het einde, en ze bleven aan dit probleem werken. In 2013 zei een team van onderzoekers in Singapore dat ze het eeuwenoude mysterie hadden opgelost.

Een groep Chinese wetenschappers beweert dat het geheim van dit effect ligt in de hoeveelheid energie die wordt opgeslagen tussen watermoleculen in hun bindingen, de zogenaamde waterstofbruggen.

Het antwoord van Chinese wetenschappers

Nadere informatie volgt, voor het begrip hiervan is enige kennis van scheikunde nodig om erachter te komen welk water sneller bevriest - warm of koud. Zoals je weet, bestaat het uit twee H (waterstof) atomen en één O (zuurstof) atoom die bij elkaar worden gehouden door covalente bindingen.

Maar waterstofatomen van één molecuul worden ook aangetrokken door naburige moleculen, door hun zuurstofcomponent. Deze bindingen worden waterstofbruggen genoemd.

Tegelijkertijd is het de moeite waard eraan te denken dat watermoleculen tegelijkertijd weerzinwekkend op elkaar werken. Wetenschappers merkten op dat wanneer water wordt verwarmd, de afstand tussen de moleculen toeneemt, en dit wordt mogelijk gemaakt door afstotende krachten. Het blijkt dat als je één afstand tussen moleculen in een koude toestand inneemt, je kunt zeggen dat ze uitrekken en dat ze een grotere toevoer van energie hebben. Het is deze energiereserve die vrijkomt wanneer watermoleculen elkaar beginnen te naderen, dat wil zeggen dat er afkoeling plaatsvindt. Het blijkt dat een grotere toevoer van energie in warm water, en de grotere afgifte ervan bij afkoeling tot temperaturen onder het vriespunt, sneller plaatsvindt dan in koud water, dat een kleinere toevoer van dergelijke energie heeft. Dus welk water bevriest sneller - koud of warm? Op straat en in het laboratorium zou de Mpemba-paradox moeten optreden en zou heet water sneller in ijs moeten veranderen.

Maar de vraag staat nog open

Er is alleen theoretische bevestiging van deze aanwijzing - dit alles is geschreven in prachtige formules en lijkt aannemelijk. Maar wanneer de experimentele gegevens, dat water sneller bevriest - warm of koud, in praktische zin worden gebracht en hun resultaten worden gepresenteerd, dan zal het mogelijk zijn om de kwestie van de Mpemba-paradox als gesloten te beschouwen.

Mpemba-effect(Mpemba-paradox) - een paradox die stelt dat warm water onder bepaalde omstandigheden sneller bevriest dan koud water, hoewel het tijdens het bevriezen de temperatuur van koud water moet passeren. Deze paradox is een experimenteel feit dat in tegenspraak is met de gangbare ideeën dat een heter lichaam onder dezelfde omstandigheden meer tijd nodig heeft om af te koelen tot een bepaalde temperatuur dan een koeler lichaam om tot dezelfde temperatuur af te koelen.

Dit fenomeen werd destijds opgemerkt door Aristoteles, Francis Bacon en Rene Descartes, maar pas in 1963 ontdekte de Tanzaniaanse schooljongen Erasto Mpemba dat een heet ijsmengsel sneller bevriest dan een koud.

Erasto Mpemba was een student aan de Magambin High School in Tanzania en deed praktisch kookwerk. Hij moest zelfgemaakt ijs maken - melk koken, er suiker in oplossen, afkoelen tot kamertemperatuur en dan in de koelkast zetten om te bevriezen. Blijkbaar was Mpemba geen bijzonder ijverige student en stelde hij het eerste deel van de opdracht uit. Uit angst dat hij aan het einde van de les niet op tijd zou zijn, zette hij de nog hete melk in de koelkast. Tot zijn verbazing bevroor het zelfs eerder dan de melk van zijn kameraden, bereid volgens een bepaalde technologie.

Daarna experimenteerde Mpemba niet alleen met melk, maar ook met gewoon water. In ieder geval, toen hij al student was aan Mkwawa High School, vroeg hij professor Dennis Osborne van het University College in Dar es Salaam (uitgenodigd door de directeur van de school om een lezing over natuurkunde te geven aan studenten) over water: "Als je twee identieke containers met gelijke hoeveelheden water, zodat in een van hen het water een temperatuur heeft van 35 ° C, en in de andere - 100 ° C, en zet ze in de vriezer, dan zal in de tweede het water sneller bevriezen. Waarom? Osborne raakte geïnteresseerd in deze kwestie en al snel in 1969 publiceerden ze samen met Mpemba de resultaten van hun experimenten in het tijdschrift "Physics Education". Sindsdien heet het effect dat ze ontdekten Mpemba-effect.

Tot nu toe weet niemand precies hoe dit vreemde effect te verklaren. Wetenschappers hebben geen enkele versie, hoewel er veel zijn. Het gaat om het verschil in de eigenschappen van warm en koud water, maar het is nog niet duidelijk welke eigenschappen hierbij een rol spelen: het verschil in onderkoeling, verdamping, ijsvorming, convectie, of het effect van vloeibaar gemaakte gassen op water bij verschillende temperaturen.

De paradox van het Mpemba-effect is dat de tijd waarin het lichaam afkoelt tot de omgevingstemperatuur evenredig moet zijn met het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving. Deze wet is opgesteld door Newton en is sindsdien vele malen in de praktijk bevestigd. Met hetzelfde effect koelt water van 100°C sneller af tot 0°C dan dezelfde hoeveelheid water van 35°C.

Dit impliceert echter nog geen paradox, aangezien het Mpemba-effect ook binnen de bekende fysica kan worden verklaard. Hier zijn enkele verklaringen voor het Mpemba-effect:

Verdamping

Heet water verdampt sneller uit de container, waardoor het volume afneemt, en een kleinere hoeveelheid water met dezelfde temperatuur bevriest sneller. Water verwarmd tot 100 C verliest 16% van zijn massa wanneer het wordt afgekoeld tot 0 C.

Het verdampingseffect is een dubbel effect. Ten eerste wordt de voor koeling benodigde massa water verminderd. En ten tweede daalt de temperatuur doordat de verdampingswarmte van de overgang van de waterfase naar de dampfase afneemt.

temperatuur verschil

Vanwege het feit dat het temperatuurverschil tussen warm water en koude lucht groter is - vandaar dat de warmte-uitwisseling in dit geval intenser is en warm water sneller afkoelt.

hypothermie

Wanneer water onder 0 C wordt gekoeld, bevriest het niet altijd. Onder bepaalde omstandigheden kan het onderkoelen terwijl het vloeibaar blijft bij temperaturen onder het vriespunt. In sommige gevallen kan water zelfs bij -20 C vloeibaar blijven.

De reden voor dit effect is dat er centra van kristalvorming nodig zijn om de eerste ijskristallen te kunnen vormen. Als ze zich niet in vloeibaar water bevinden, zal de onderkoeling doorgaan totdat de temperatuur voldoende daalt zodat zich spontaan kristallen beginnen te vormen. Wanneer ze zich beginnen te vormen in de onderkoelde vloeistof, zullen ze sneller beginnen te groeien en een ijsbrij vormen die zal bevriezen om ijs te vormen.

Heet water is het meest vatbaar voor onderkoeling omdat het bij verhitting opgeloste gassen en bellen elimineert, die op hun beurt kunnen dienen als centra voor de vorming van ijskristallen.

Waarom zorgt onderkoeling ervoor dat warm water sneller bevriest? Bij koud water, dat niet onderkoeld is, gebeurt het volgende. In dit geval zal zich een dunne laag ijs vormen op het oppervlak van het vat. Deze ijslaag fungeert als een isolator tussen het water en de koude lucht en voorkomt verdere verdamping. De vormingssnelheid van ijskristallen zal in dit geval minder zijn. In het geval van heet water dat onderkoelt, heeft het onderkoelde water geen beschermende oppervlaktelaag van ijs. Daarom verliest het veel sneller warmte door de open bovenkant.

Wanneer het onderkoelingsproces eindigt en het water bevriest, gaat er veel meer warmte verloren en wordt er dus meer ijs gevormd.

Veel onderzoekers van dit effect beschouwen onderkoeling als de belangrijkste factor in het geval van het Mpemba-effect.

Convectie

Koud water begint van bovenaf te bevriezen, waardoor de processen van warmtestraling en convectie verslechteren, en dus het warmteverlies, terwijl warm water van onderaf begint te bevriezen.

Dit effect wordt verklaard door een anomalie in de dichtheid van water. Water heeft een maximale dichtheid bij 4 C. Als je water afkoelt tot 4 C en op een lagere temperatuur zet, zal de oppervlaktelaag van water sneller bevriezen. Omdat dit water een lagere dichtheid heeft dan water van 4°C, blijft het aan het oppervlak en vormt een dunne koude laag. Onder deze omstandigheden zal zich korte tijd een dunne ijslaag vormen op het wateroppervlak, maar deze ijslaag zal dienen als een isolator die de onderste waterlagen beschermt, die op een temperatuur van 4 C blijven. Daarom , zal verdere afkoeling langzamer zijn.

In het geval van warm water is de situatie heel anders. Door verdamping en een groter temperatuurverschil zal de oppervlaktelaag van water sneller afkoelen. Koudwaterlagen zijn ook dichter dan warmwaterlagen, dus de koudwaterlaag zal naar beneden zinken en de warmwaterlaag naar de oppervlakte tillen. Deze circulatie van water zorgt voor een snelle temperatuurdaling.

Maar waarom bereikt dit proces het evenwichtspunt niet? Om het Mpemba-effect vanuit dit gezichtspunt van convectie te verklaren, zou het nodig zijn om aan te nemen dat de koude en hete waterlagen worden gescheiden en dat het convectieproces zelf doorgaat nadat de gemiddelde watertemperatuur onder de 4 C is gedaald.

Er is echter geen experimenteel bewijs om deze hypothese te ondersteunen dat koud- en warmwaterlagen worden gescheiden door convectie.

gassen opgelost in water

Water bevat altijd gassen die erin zijn opgelost - zuurstof en koolstofdioxide. Deze gassen hebben het vermogen om het vriespunt van water te verlagen. Wanneer het water wordt verwarmd, komen deze gassen vrij uit het water omdat hun oplosbaarheid in water bij hoge temperatuur lager is. Wanneer warm water wordt gekoeld, zijn er daarom altijd minder opgeloste gassen dan in onverwarmd koud water. Daarom is het vriespunt van verwarmd water hoger en bevriest het sneller. Deze factor wordt soms beschouwd als de belangrijkste factor bij het verklaren van het Mpemba-effect, hoewel er geen experimentele gegevens zijn die dit feit bevestigen.

Warmtegeleiding

Dit mechanisme kan een belangrijke rol spelen wanneer water in kleine containers in een koelkast met vriesvak wordt geplaatst. Onder deze omstandigheden is waargenomen dat de houder met heet water het ijs van de vriezer eronder doet smelten, waardoor het thermisch contact met de wand van de vriezer en de thermische geleidbaarheid worden verbeterd. Hierdoor wordt de warmte sneller uit de warmwaterbak afgevoerd dan uit de koude. Op zijn beurt smelt de container met koud water er geen sneeuw onder.

Al deze (en ook andere) omstandigheden zijn in veel experimenten onderzocht, maar een eenduidig antwoord op de vraag - welke ervan zorgen voor een 100% reproductie van het Mpemba-effect - is niet verkregen.

Zo bestudeerde de Duitse natuurkundige David Auerbach in 1995 bijvoorbeeld de invloed van onderkoeling van water op dit effect. Hij ontdekte dat heet water, dat een onderkoelde toestand bereikt, bevriest bij een hogere temperatuur dan koud water, en dus sneller dan het laatste. Maar koud water bereikt de onderkoelde toestand sneller dan warm water, waardoor de eerdere vertraging wordt gecompenseerd.

Bovendien waren de resultaten van Auerbach in tegenspraak met eerdere gegevens dat warm water een grotere onderkoeling kan bereiken door minder kristallisatiecentra. Wanneer water wordt verwarmd, worden daarin opgeloste gassen verwijderd, en wanneer het wordt gekookt, precipiteren sommige zouten die erin zijn opgelost.

Tot nu toe kan er maar één ding worden beweerd: de reproductie van dit effect hangt in wezen af van de omstandigheden waaronder het experiment wordt uitgevoerd. Juist omdat het niet altijd wordt gereproduceerd.

OV Mosin

Literairbronnen:

"Heet water bevriest sneller dan koud water. Waarom doet het dat?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nee. 3, blz. 246-257; September 1977.

"Het bevriezen van warm en koud water", G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, nee. 5, blz. 564-565; mei 1969.

"Onderkoeling en het Mpemba-effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, nee. 10, blz. 882-885; okt 1995.

"Het Mpemba-effect: de vriestijden van warm en koud water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, nee. 5, blz. 524; mei 1996.

Water is een van de meest verbazingwekkende vloeistoffen ter wereld, met ongewone eigenschappen. IJs bijvoorbeeld - een vaste toestand van vloeistof, heeft een soortelijk gewicht dat lager is dan het water zelf, wat het ontstaan en de ontwikkeling van leven op aarde op vele manieren mogelijk maakte. Bovendien zijn er in de bijna-wetenschappelijke, en zelfs de wetenschappelijke wereld discussies over welk water sneller bevriest - warm of koud. Wie aantoont sneller bevriezen van een hete vloeistof onder bepaalde omstandigheden en zijn beslissing wetenschappelijk onderbouwt, ontvangt een onderscheiding van £ 1.000 van de British Royal Society of Chemists.

Achtergrond

Dat warm water, onder een aantal omstandigheden, qua vriessnelheid voorloopt op koud water, werd al in de middeleeuwen opgemerkt. Francis Bacon en René Descartes hebben veel moeite gedaan om dit fenomeen te verklaren. Vanuit het oogpunt van klassieke warmtetechniek kan deze paradox echter niet worden verklaard, en ze probeerden het verlegen te verzwijgen. De aanleiding voor de voortzetting van het geschil was een enigszins merkwaardig verhaal dat in 1963 de Tanzaniaanse schooljongen Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) overkwam. Eens, tijdens een les dessert maken op een kookschool, had een jongen, afgeleid door andere dingen, geen tijd om het ijsmengsel op tijd af te koelen en een oplossing van suiker in hete melk in de vriezer te doen. Tot zijn verbazing koelde het product iets sneller af dan zijn collega-beoefenaars die het temperatuurregime voor het maken van ijs in acht namen.

In een poging de essentie van het fenomeen te begrijpen, wendde de jongen zich tot een natuurkundeleraar, die, zonder in details te treden, zijn culinaire experimenten belachelijk maakte. Erasto onderscheidde zich echter door een benijdenswaardig doorzettingsvermogen en zette zijn experimenten niet langer op melk, maar op water voort. Hij zorgde ervoor dat heet water in sommige gevallen sneller bevriest dan koud water.

Toen hij de Universiteit van Dar es Salaam binnenkwam, woonde Erasto Mpembe een lezing bij van professor Dennis G. Osborne. Na zijn afstuderen bracht de student de wetenschapper in verwarring met het probleem van de snelheid van bevriezing van water, afhankelijk van de temperatuur. DG Osborne maakte het stellen van de vraag belachelijk en verklaarde met zelfvertrouwen dat elke verliezer weet dat koud water sneller zal bevriezen. De natuurlijke vasthoudendheid van de jonge man was echter voelbaar. Hij sloot een weddenschap met de professor en bood aan om een experimentele test uit te voeren hier, in het laboratorium. Erasto plaatste twee containers met water in de vriezer, één op 95 ° F (35 ° C) en de andere op 212 ° F (100 ° C). Wat was de verrassing van de professor en de omringende "fans" toen het water in de tweede container sneller bevroor. Sindsdien wordt dit fenomeen de "Mpemba Paradox" genoemd.

Tot op heden is er echter geen coherente theoretische hypothese die de "Mpemba Paradox" verklaart. Het is niet duidelijk welke externe factoren, de chemische samenstelling van water, de aanwezigheid van opgeloste gassen en mineralen daarin, van invloed zijn op de bevriezingssnelheid van vloeistoffen bij verschillende temperaturen. De paradox van het "Mpemba-effect" is dat het in tegenspraak is met een van de door I. Newton ontdekte wetten, die stelt dat de afkoeltijd van water recht evenredig is met het temperatuurverschil tussen de vloeistof en de omgeving. En als alle andere vloeistoffen volledig onder deze wet vallen, dan is water in sommige gevallen een uitzondering.

Waarom bevriest warm water sneller?t

Er zijn verschillende versies van waarom warm water sneller bevriest dan koud water. De belangrijkste zijn:

heet water verdampt sneller, terwijl het volume afneemt, en een kleiner volume vloeistof koelt sneller af - wanneer water wordt afgekoeld van + 100 ° С tot 0 ° , bereiken volumeverliezen bij atmosferische druk 15%;
de intensiteit van de warmte-uitwisseling tussen de vloeistof en de omgeving is hoe hoger, hoe groter het temperatuurverschil, dus het warmteverlies van kokend water gaat sneller voorbij;
wanneer heet water afkoelt, vormt zich een ijskorst op het oppervlak, waardoor de vloeistof niet volledig bevriest en verdampt;
bij een hoge watertemperatuur vindt de convectiemenging plaats, waardoor de vriestijd wordt verkort;
in water opgeloste gassen verlagen het vriespunt en nemen energie voor kristalvorming - er zijn geen opgeloste gassen in heet water.

Al deze omstandigheden zijn onderworpen aan herhaalde experimentele verificatie. Met name de Duitse wetenschapper David Auerbach ontdekte dat de kristallisatietemperatuur van warm water iets hoger is dan die van koud water, waardoor het eerstgenoemde sneller kan bevriezen. Later werden zijn experimenten echter bekritiseerd en veel wetenschappers zijn ervan overtuigd dat het "Mpemba-effect", waarover water sneller bevriest - warm of koud, alleen kan worden gereproduceerd onder bepaalde omstandigheden, waarnaar tot nu toe niemand heeft gezocht en geconcretiseerd.

Gezuiverd door verdamping, koeling en condensatie heeft de vloeistof bijzondere fysische eigenschappen. Het wordt aanbevolen om het in het verwarmingssysteem te gebruiken, omdat er geen zouten en zuurstof zijn. Dit heeft een positief effect op de levensduur van de apparatuur.

Maar velen zijn geïnteresseerd in de vraag, bevriest gedestilleerd water bij temperaturen onder 0˚ C?

Het is gemakkelijk om thuis een experiment uit te voeren en een antwoord op deze vraag te krijgen. We zullen zien dat het bij 0˚ C vloeibaar blijft. Zelfs als we de temperatuur verlagen, verandert de fysieke toestand niet.

Dus bij welke temperatuur bevriest water?

Een interessante eigenschap van gedestilleerd water wordt waargenomen bij een negatieve temperatuur. Als je er een stuk ijs, sneeuw, lucht of stof in laat zakken, verschijnen er direct kristallen door het hele volume.

Dit komt door het feit dat kraanwater veel kristallisatiecentra heeft: zouten, lucht binnenin, het oppervlak van de container, enzovoort. Gezuiverde vloeistoffen hebben dergelijke centra niet. Hierdoor kan het aanzienlijk onderkoelen.

De wetten van de natuurkunde zeggen dat hoe meer een vloeistof wordt gezuiverd van onzuiverheden, hoe lager de drempel voor de overgang naar een vaste toestand.

Gedestilleerd water bevriest bij -10˚C en lager. Dit verklaart het voordeel ten opzichte van andere koelmiddelen tijdens de verwarmingsperiode. Vanwege deze eigenschap kan het bij het verwarmen van een kamer concurreren met antivries.

Tegelijkertijd zijn er een aantal extra voordelen ten opzichte van andere koelvloeistoffen:

ecologische reinheid;
veiligheid voor het leven en de gezondheid van mensen;
zorgvuldige houding ten opzichte van pijpen;
makkelijk te gebruiken;
beschikbaarheid.

Nu weet je dat gedestilleerd water bevriest bij temperaturen onder de 10 graden, dus je kunt rustig blijven over je verwarmingssysteem.

We hopen dat het artikel nuttig voor u was. We zullen het op prijs stellen als u het op sociale netwerken deelt.

Prettige dag!

Lees ook:

Warmtedrager voor het verwarmingssysteem - wat wordt er tegenwoordig gebruikt?
Waterverwarming in een privéwoning - de technologie voor de implementatie ervan
Waterpomp voor verwarming: werkingsprincipe en installatie