Hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann?

Ved hvilken temperatur fryser vannet? Det ser ut til - det enkleste spørsmålet som til og med et barn kan svare på: frysepunktet for vann ved normalt atmosfærisk trykk på 760 mm Hg er null grader Celsius.

Vann (til tross for sin ekstremt brede distribusjon på planeten vår) er imidlertid det mest mystiske og ikke fullt forståtte stoffet, så svaret på dette spørsmålet krever en detaljert og begrunnet samtale.

I Russland og Europa måles temperaturen på Celsius-skalaen, hvor den høyeste verdien er 100 grader.
Den amerikanske vitenskapsmannen Fahrenheit utviklet sin egen skala med 180 divisjoner.
Det er en annen enhet for temperaturmåling - kelvin, oppkalt etter den engelske fysikeren Thomson, som fikk tittelen Lord Kelvin.

Tilstander og typer vann

Vann på planeten Jorden kan ha tre hovedtilstander av aggregering: flytende, fast og gassformet, som kan forvandles til forskjellige former som samtidig eksisterer sammen med hverandre (isfjell i sjøvann, vanndamp og iskrystaller i skyer på himmelen, isbreer og frie -rennende elver).

Avhengig av egenskapene til opprinnelsen, formålet og sammensetningen, kan vann være:

fersk;
mineral;
nautiske;
drikking (her inkluderer vi vann fra springen);
regn;
tint;
brakk;
strukturert;
destillert;
avionisert.

Tilstedeværelsen av hydrogenisotoper gjør vann:

lys;
tung (deuterium);
supertung (tritium).

Vi vet alle at vann kan være mykt og hardt: denne indikatoren bestemmes av innholdet av magnesium- og kalsiumkationer.

Hver av vanntypene og aggregattilstandene vi har listet opp har sitt eget fryse- og smeltepunkt.

Vannets frysepunkt

Hvorfor fryser vann? Vanlig vann inneholder alltid en viss mengde suspenderte partikler av mineralsk eller organisk opprinnelse. Det kan være de minste partiklene av leire, sand eller husstøv.

Når omgivelsestemperaturen synker til visse verdier, inntar disse partiklene rollen som sentre som iskrystaller begynner å dannes rundt.

Luftbobler, samt sprekker og skader på veggene i fartøyet der vannet befinner seg, kan også bli krystallisasjonskjerner. Hastigheten av vannkrystallisering bestemmes i stor grad av antallet av disse sentrene: jo flere av dem, jo raskere fryser væsken.

Under normale forhold (ved normalt atmosfærisk trykk) er temperaturen på faseovergangen til vann fra flytende til fast tilstand 0 grader Celsius. Det er ved denne temperaturen at vannet fryser på gaten.

Hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann?

Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann – dette fenomenet ble lagt merke til av Erasto Mpemba, en skolegutt fra Tanganyika. Eksperimentene hans med masse for å lage is viste at frysehastigheten til den oppvarmede massen er mye høyere enn den kalde.

En av grunnene til dette interessante fenomenet, kalt "Mpemba-paradokset", er den høyere varmeoverføringen til en varm væske, samt tilstedeværelsen i den av et større antall krystalliseringskjerner sammenlignet med kaldt vann.

Er frysepunktet for vann og høyde relatert?

Med en endring i trykk, ofte forbundet med å være i forskjellige høyder, begynner frysepunktet til vannet å avvike radikalt fra standarden, karakteristisk for normale forhold.
Krystallisering av vann i høyden skjer ved følgende temperaturverdier:

paradoksalt nok, i en høyde på 1000 m, fryser vannet ved 2 grader Celsius;
i 2000 meters høyde skjer dette allerede ved 4 grader Celsius.

Den høyeste frysetemperaturen på vann i fjellene er observert i en høyde på over 5000 tusen meter (for eksempel i Fann-fjellene eller Pamirs).

Hvordan påvirker trykk prosessen med vannkrystallisering?

La oss prøve å koble dynamikken til endringer i frysepunktet til vann med endringer i trykk.

Ved et trykk på 2 atm vil vann fryse ved en temperatur på -2 grader.
Ved et trykk på 3 atm vil temperaturen på -4 grader Celsius begynne å fryse vann.

Med økt trykk synker temperaturen i begynnelsen av vannkrystalliseringsprosessen, og kokepunktet øker. Ved lavt trykk oppnås et diametralt motsatt bilde.

Det er grunnen til at det under forhold med høye fjell og en sjeldne atmosfære er veldig vanskelig å tilberede egg, siden vannet i gryten koker allerede ved 80 grader. Det er klart at ved denne temperaturen er det rett og slett umulig å lage mat.

Ved høyt trykk skjer prosessen med issmelting under skøytenes blader selv ved svært lave temperaturer, men det er takket være ham at skøytene glir på isoverflaten.

Frysingen av skrens av tungt lastede sleder i historiene om Jack London er forklart på lignende måte. Tunge sleder som legger press på snøen får den til å smelte. Det resulterende vannet letter deres glidning. Men så snart sledene stopper og henger lenge på ett sted, fryser det fortrengte vannet, frysende, skliene til veien.

Krystallisasjonstemperatur av vandige løsninger

Som et utmerket løsningsmiddel, reagerer vann lett med forskjellige organiske og uorganiske stoffer, og danner en masse av noen ganger uventede kjemiske forbindelser. Selvfølgelig vil hver av dem fryse ved forskjellige temperaturer. La oss sette dette i en visuell liste.

Frysepunktet til en blanding av alkohol og vann avhenger av prosentandelen av begge komponentene i den. Jo mer vann som tilsettes løsningen, jo nærmere null er frysepunktet. Hvis det er mer alkohol i løsningen, vil krystalliseringsprosessen begynne ved verdier nær -114 grader.
Det er viktig å vite at vann-alkoholløsninger ikke har et fast frysepunkt. Vanligvis snakker de om temperaturen på begynnelsen av krystalliseringsprosessen og temperaturen på den endelige overgangen til fast tilstand.
Mellom begynnelsen av dannelsen av de første krystallene og fullstendig størkning av alkoholløsningen ligger et temperaturintervall på 7 grader. Så frysepunktet for vann med alkohol med en konsentrasjon på 40% i det innledende stadiet er -22,5 grader, og den endelige overgangen av løsningen til den faste fasen vil skje ved -29,5 grader.

Frysepunktet for vann med salt er nært knyttet til graden av saltholdighet: jo mer salt i løsningen, jo lavere posisjon vil kvikksølvkolonnen fryse.

For å måle saltholdigheten til vann brukes en spesiell enhet - "ppm". Så vi har funnet ut at frysepunktet til vann synker med økende saltkonsentrasjon. La oss forklare dette med et eksempel:

Salinitetsnivået i havvann er 35 ppm, mens gjennomsnittsverdien for frysing er 1,9 grader. Salinitetsgraden i Svartehavsvannet er 18-20 ppm, så de fryser ved en høyere temperatur i området fra -0,9 til -1,1 grader Celsius.

Frysepunktet for vann med sukker (for en løsning hvis molalitet er 0,8) er -1,6 grader.
Frysepunktet for vann med urenheter avhenger i stor grad av mengden og arten av urenhetene som utgjør den vandige løsningen.
Frysepunktet for vann med glyserin avhenger av konsentrasjonen av løsningen. En løsning som inneholder 80 ml glyserin vil fryse ved -20 grader, når glyserolinnholdet reduseres til 60 ml, vil krystalliseringsprosessen begynne ved -34 grader, og begynnelsen av frysing av en 20 % løsning vil være minus fem grader. Som du kan se, er det ingen lineær sammenheng i dette tilfellet. For å fryse en 10% løsning av glyserin, vil en temperatur på -2 grader være tilstrekkelig.
Frysepunktet for vann med brus (som betyr kaustisk alkali eller kaustisk soda) gir et enda mer mystisk bilde: en 44% kaustisk løsning fryser ved +7 grader Celsius, og 80% ved +130.

Frysing av ferskvann

Prosessen med isdannelse i ferskvannsreservoarer skjer i et litt annet temperaturregime.

Frysepunktet for vann i en innsjø, akkurat som frysepunktet for vann i en elv, er null grader Celsius. Frysingen av de reneste elvene og bekkene starter ikke fra overflaten, men fra bunnen, hvor det er krystalliseringskjerner i form av bunnsiltpartikler. Til å begynne med er haker og vannplanter dekket med en isskorpe. Så snart bunnisen stiger til overflaten, fryser elven øyeblikkelig gjennom.
Frosset vann på Baikalsjøen kan noen ganger kjøles ned til negative temperaturer. Dette skjer bare på grunt vann; vanntemperaturen i dette tilfellet kan være tusendeler, og noen ganger hundredeler av en grad under null.
Temperaturen på Baikal-vannet under selve skorpen på isdekket overstiger som regel ikke +0,2 grader. I de nederste lagene stiger den gradvis til +3,2 i bunnen av det dypeste bassenget.

Frysepunkt for destillert vann

Fryser destillert vann? Husk at for at vann skal fryse, er det nødvendig å ha noen krystalliseringssentre i det, som kan være luftbobler, suspenderte partikler, samt skade på veggene til beholderen der den er plassert.

Destillert vann, fullstendig blottet for urenheter, har ikke krystalliseringskjerner, og derfor begynner frysingen ved svært lave temperaturer. Det første frysepunktet for destillert vann er -42 grader. Forskere klarte å oppnå underkjøling av destillert vann til -70 grader.

Vann som har vært utsatt for svært lave temperaturer, men som ikke har krystallisert, kalles "superkjølt". Du kan plassere en flaske destillert vann i fryseren, oppnå hypotermi, og deretter demonstrere et veldig effektivt triks - se videoen:

Ved å banke forsiktig på en flaske som er tatt ut av kjøleskapet, eller ved å kaste en liten isbit inn i den, kan du vise hvor øyeblikkelig den blir til is, som ser ut som langstrakte krystaller.

Destillert vann: fryser dette rensede stoffet eller ikke under trykk? En slik prosess er bare mulig under spesiallagde laboratorieforhold.

Frysepunkt for saltvann

Hvilket vann som fryser raskere, varmt eller kaldt, påvirkes av mange faktorer, men spørsmålet i seg selv virker litt rart. Det er forstått, og det er kjent fra fysikken, at varmt vann fortsatt trenger tid på å kjøle seg ned til temperaturen til sammenlignbart kaldt vann for å bli til is. denne etappen kan hoppes over, og følgelig vinner hun i tide.

Men svaret på spørsmålet om hvilket vann som fryser raskere - kaldt eller varmt - på gaten i frost, vet enhver innbygger på de nordlige breddegrader. Faktisk, vitenskapelig, viser det seg at i alle fall må kaldt vann rett og slett fryse raskere.

Det samme gjorde læreren i fysikk, som ble kontaktet av skolegutten Erasto Mpemba i 1963 med en forespørsel om å forklare hvorfor den kalde blandingen av fremtidig iskrem fryser lenger enn en tilsvarende, men varm.

"Dette er ikke verdensfysikk, men en slags Mpemba-fysikk"

På den tiden lo læreren bare av dette, men Deniss Osborne, en professor i fysikk, som en gang gikk på den samme skolen der Erasto studerte, bekreftet eksperimentelt eksistensen av en slik effekt, selv om det ikke var noen forklaring på dette da . I 1969 publiserte et populærvitenskapelig tidsskrift en felles artikkel av de to mennene som beskrev denne særegne effekten.

Siden den gang har forresten spørsmålet om hvilket vann som fryser raskere - varmt eller kaldt, fått sitt eget navn - effekten, eller paradokset, Mpemba.

Spørsmålet har eksistert lenge

Naturligvis har et slikt fenomen funnet sted før, og det ble nevnt i andre forskeres verk. Ikke bare skolegutten var interessert i dette spørsmålet, men Rene Descartes og til og med Aristoteles tenkte på det på en gang.

Her er bare tilnærminger til å løse dette paradokset begynte å se først på slutten av det tjuende århundre.

Forutsetninger for at et paradoks kan oppstå

Som med iskrem er det ikke bare vanlig vann som fryser under forsøket. Visse forhold må være tilstede for å begynne å krangle om hvilket vann som fryser raskere - kaldt eller varmt. Hva påvirker denne prosessen?

Nå, i det 21. århundre, har det blitt fremsatt flere alternativer som kan forklare dette paradokset. Hvilket vann som fryser raskere, varmt eller kaldt, kan avhenge av at det har høyere fordampningshastighet enn kaldt vann. Dermed avtar volumet, og med en reduksjon i volum blir frysetiden kortere enn om vi tar et tilsvarende startvolum med kaldt vann.

Fryseren har lenge vært tint

Hvilket vann som fryser raskere, og hvorfor det gjør det, kan påvirkes av snøfôret som kan være i fryseren til kjøleskapet som ble brukt til forsøket. Hvis du tar to beholdere som er identiske i volum, men en av dem vil ha varmt vann og den andre kaldt vann, vil beholderen med varmt vann smelte snøen under, og dermed forbedre kontakten mellom det termiske nivået og kjøleskapsveggen. En kaldtvannsbeholder kan ikke gjøre det. Hvis det ikke er slik foring med snø i kjøleskapet, bør kaldt vann fryse raskere.

Topp bunn

Også fenomenet hvor vann fryser raskere - varmt eller kaldt, er forklart som følger. Etter visse lover begynner kaldt vann å fryse fra de øvre lagene, når varmt vann gjør det omvendt - det begynner å fryse fra bunnen og opp. Det viser seg at kaldt vann, som har et kaldt lag på toppen med is allerede dannet noen steder, dermed forverrer prosessene med konveksjon og termisk stråling, og forklarer dermed hvilket vann som fryser raskere - kaldt eller varmt. Et bilde fra amatøreksperimenter er vedlagt, og her er det godt synlig.

Varmen går ut, tenderer oppover, og der møter den et veldig kjølig lag. Det er ingen fri vei for varmestråling, så kjøleprosessen blir vanskelig. Varmt vann har absolutt ingen slike barrierer i sin vei. Som fryser raskere - kaldt eller varmt, som det sannsynlige resultatet avhenger av, kan du utvide svaret ved å si at ethvert vann har visse stoffer oppløst i seg.

Urenheter i sammensetningen av vann som en faktor som påvirker resultatet

Hvis du ikke jukser og bruker vann med samme sammensetning, hvor konsentrasjonene av visse stoffer er identiske, bør kaldt vann fryse raskere. Men hvis det oppstår en situasjon når oppløste kjemiske elementer bare er tilstede i varmt vann, mens kaldt vann ikke har dem, har varmt vann muligheten til å fryse tidligere. Dette forklares med det faktum at de oppløste stoffene i vann skaper krystalliseringssentre, og med et lite antall av disse sentrene er omdannelsen av vann til fast tilstand vanskelig. Til og med underkjøling av vann er mulig, i den forstand at ved minusgrader vil det være i flytende tilstand.

Men alle disse versjonene passet tilsynelatende ikke forskerne til slutt, og de fortsatte å jobbe med dette problemet. I 2013 sa et team av forskere i Singapore at de hadde løst det eldgamle mysteriet.

En gruppe kinesiske forskere hevder at hemmeligheten bak denne effekten ligger i mengden energi som er lagret mellom vannmolekyler i dens bindinger, kalt hydrogenbindinger.

Svaret fra kinesiske forskere

Ytterligere informasjon vil følge, for forståelsen av det er det nødvendig å ha litt kunnskap i kjemi for å finne ut hvilket vann som fryser raskere - varmt eller kaldt. Som du vet, består den av to H (hydrogen) atomer og ett O (oksygen) atom holdt sammen av kovalente bindinger.

Men hydrogenatomer av ett molekyl tiltrekkes også av nabomolekyler, til deres oksygenkomponent. Disse bindingene kalles hydrogenbindinger.

Samtidig er det verdt å huske at samtidig virker vannmolekyler frastøtende på hverandre. Forskere bemerket at når vann varmes opp, øker avstanden mellom molekylene, og dette forenkles av frastøtende krefter. Det viser seg at ved å oppta en avstand mellom molekyler i kald tilstand, kan man si at de strekker seg, og de har større energitilførsel. Det er denne energireserven som frigjøres når vannmolekyler begynner å nærme seg hverandre, det vil si at avkjøling skjer. Det viser seg at en større tilførsel av energi i varmt vann, og dets større frigjøring ved avkjøling til minusgrader, skjer raskere enn i kaldt vann, som har mindre tilførsel av slik energi. Så hvilket vann fryser raskere - kaldt eller varmt? På gaten og i laboratoriet bør Mpemba-paradokset oppstå, og varmt vann skal bli til is raskere.

Men spørsmålet er fortsatt åpent

Det er bare teoretisk bekreftelse på denne ledetråden - alt dette er skrevet i vakre formler og virker plausibelt. Men når de eksperimentelle dataene, som vannet fryser raskere - varmt eller kaldt, vil bli satt i praktisk forstand, og resultatene deres vil bli presentert, vil det være mulig å vurdere spørsmålet om Mpemba-paradokset som lukket.

Mpemba-effekt(Mpemba paradoks) - et paradoks som sier at varmt vann under visse forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann i ferd med å fryse. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en varmere kropp under de samme forholdene trenger mer tid til å kjøle seg ned til en viss temperatur enn en kjøligere kropp for å kjøle seg ned til samme temperatur.

Dette fenomenet ble lagt merke til på den tiden av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men først i 1963 fant den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba ut at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald.

Erasto Mpemba var elev ved Magambin High School i Tanzania og drev praktisk matlagingsarbeid. Han måtte lage hjemmelaget iskrem - koke melk, løse opp sukker i den, avkjøle den til romtemperatur og deretter sette den i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og somlet med den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville være i tide ved slutten av leksjonen, la han den fortsatt varme melken i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til en gitt teknologi.

Etter det eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann. I alle fall, allerede som student ved Mkvava High School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar es Salaam (invitert av direktøren for skolen til å holde en forelesning om fysikk for studentene) om vann: "Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at vannet i en av dem har en temperatur på 35 ° C, og i den andre - 100 ° C, og setter dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven og snart i 1969 publiserte de sammen med Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet "Physics Education". Siden den gang kalles effekten de oppdaget Mpemba-effekt.

Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer.

Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden kroppen kjøles ned til omgivelsestemperaturen, må være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden den gang blitt bekreftet mange ganger i praksis. I samme effekt kjøles vann ved 100°C ned til 0°C raskere enn samme mengde vann ved 35°C.

Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten også kan forklares innenfor kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten:

Fordampning

Varmt vann fordamper raskere fra beholderen, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann med samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C.

Fordampningseffekten er en dobbel effekt. Først reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar.

temperaturforskjell

På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større - derfor er varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmt vann avkjøles raskere.

hypotermi

Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under visse forhold kan den gjennomgå superkjøling mens den fortsetter å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved -20 C.

Grunnen til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs sentre for krystalldannelse. Hvis de ikke er i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller begynner å dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere, og danne en isslam som vil fryse til is.

Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det eliminerer oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller.

Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann, som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og kald luft og vil forhindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller i dette tilfellet vil være mindre. Ved underkjøling av varmt vann har ikke det underkjølte vannet et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen.

Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is.

Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten.

Konveksjon

Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed tapet av varme, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra.

Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget med vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved 4°C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil et tynt lag med is dannes på overflaten av vannet i kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator som beskytter de nedre vannlagene, som vil holde seg ved en temperatur på 4 C. Derfor , vil den videre avkjølingsprosessen gå langsommere.

Når det gjelder varmt vann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. Kaldtvannslag er også tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og løfte varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen.

Men hvorfor når ikke denne prosessen likevektspunktet? For å forklare Mpemba-effekten fra dette synet på konveksjon, må man anta at de kalde og varme vannlagene er atskilt og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 C.

Imidlertid er det ingen eksperimentelle bevis som støtter denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjon.

gasser oppløst i vann

Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å senke frysepunktet til vann. Når vannet varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann ved høy temperatur er lavere. Derfor, når varmt vann er avkjølt, er det alltid færre oppløste gasser i det enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum.

Termisk ledningsevne

Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i et kjøleskap med fryser i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at beholderen med varmt vann smelter isen til fryseren under, og forbedrer derved termisk kontakt med veggen til fryseren og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra varmtvannsbeholderen raskere enn fra den kalde. På sin side smelter ikke beholderen med kaldt vann snø under den.

Alle disse (så vel som andre) tilstander har blitt studert i mange eksperimenter, men et entydig svar på spørsmålet – hvilke av dem som gir en 100 % reproduksjon av Mpemba-effekten – har ikke blitt oppnådd.

Så, for eksempel, i 1995 studerte den tyske fysikeren David Auerbach påvirkningen av superkjøling av vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når den underkjølte tilstanden raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep.

I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann er i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gassene som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det.

Så langt kan bare én ting hevdes - reproduksjonen av denne effekten avhenger i hovedsak av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis.

O.V. Mosin

Litterærkilder:

"Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Hvorfor gjør det det?", Jearl Walker i The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, s. 246-257; september, 1977.

"Frysingen av varmt og kaldt vann", G.S. Kell i American Journal of Physics, Vol. 37, nei. 5, s. 564-565; mai 1969.

"Superkjøling og Mpemba-effekten", David Auerbach, i American Journal of Physics, Vol. 63, nei. 10, s. 882-885; oktober, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, i American Journal of Physics, Vol. 64, nei. 5, s. 524; mai, 1996.

Vann er en av de mest fantastiske væskene i verden, som har uvanlige egenskaper. For eksempel, is - en fast tilstand av væske, har en egenvekt lavere enn vannet i seg selv, noe som gjorde fremveksten og utviklingen av liv på jorden på mange måter mulig. I tillegg, i den nesten vitenskapelige, og faktisk den vitenskapelige verden, er det diskusjoner om hvilket vann som fryser raskere - varmt eller kaldt. Den som beviser raskere frysing av en varm væske under visse forhold og vitenskapelig underbygger sin avgjørelse, vil motta en pris på £1000 fra British Royal Society of Chemists.

Bakgrunn

Det faktum at varmt vann under en rekke forhold er foran kaldt vann når det gjelder frysehastighet, ble lagt merke til tilbake i middelalderen. Francis Bacon og René Descartes har lagt mye arbeid i å forklare dette fenomenet. Men fra synspunktet til klassisk varmeteknikk kan dette paradokset ikke forklares, og de prøvde å stille det ned. Drivkraften for fortsettelsen av tvisten var en noe merkelig historie som skjedde med den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) i 1963. En gang, i løpet av en dessertlagingstime på en kokkeskole, hadde en gutt, distrahert av andre ting, ikke tid til å avkjøle iskremblandingen i tide og sette en løsning av sukker i varm melk i fryseren. Til hans overraskelse avkjølte produktet noe raskere enn hans medutøvere som observerte temperaturregimet for å lage iskrem.

For å prøve å forstå essensen av fenomenet, henvendte gutten seg til en fysiklærer, som, uten å gå inn på detaljer, latterliggjorde sine kulinariske eksperimenter. Erasto ble imidlertid preget av misunnelsesverdig utholdenhet og fortsatte sine eksperimenter ikke lenger på melk, men på vann. Han sørget for at varmt vann i noen tilfeller fryser raskere enn kaldt vann.

Erasto Mpembe gikk inn på universitetet i Dar es Salaam og deltok på en forelesning av professor Dennis G. Osborne. Etter endt utdanning forvirret studenten forskeren med problemet med hastigheten på frysing av vann avhengig av temperaturen. D.G. Osborne latterliggjorde selve spørsmålet, og uttalte med aplomb at enhver taper vet at kaldt vann vil fryse raskere. Den naturlige utholdenheten til den unge mannen gjorde seg imidlertid gjeldende. Han inngikk et veddemål med professoren og tilbød seg å gjennomføre en eksperimentell test her, i laboratoriet. Erasto plasserte to beholdere med vann i fryseren, en ved 95°F (35°C) og den andre ved 212°F (100°C). Hva var overraskelsen til professoren og de omkringliggende «fansen» da vannet i den andre beholderen frøs raskere. Siden den gang har dette fenomenet blitt kalt «Mpemba-paradokset».

Til dags dato er det imidlertid ingen sammenhengende teoretisk hypotese som forklarer "Mpemba-paradokset". Det er ikke klart hvilke eksterne faktorer, den kjemiske sammensetningen av vann, tilstedeværelsen av oppløste gasser og mineraler i det, som påvirker hastigheten på frysing av væsker ved forskjellige temperaturer. Paradokset med «Mpemba-effekten» er at den er i strid med en av lovene oppdaget av I. Newton, som sier at avkjølingstiden til vannet er direkte proporsjonal med temperaturforskjellen mellom væsken og miljøet. Og hvis alle andre væsker er fullstendig underlagt denne loven, er vann i noen tilfeller et unntak.

Hvorfor fryser varmt vann raskere?t

Det finnes flere versjoner av hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. De viktigste er:

varmt vann fordamper raskere, mens volumet avtar, og et mindre volum av væske avkjøles raskere - når vann avkjøles fra + 100 ° C til 0 ° C, når volumtapene ved atmosfærisk trykk 15%;
intensiteten av varmevekslingen mellom væsken og miljøet er jo høyere, jo større er temperaturforskjellen, så varmetapet til kokende vann går raskere;
når varmt vann avkjøles, dannes en isskorpe på overflaten, noe som forhindrer at væsken fryser helt og fordamper;
ved høy vanntemperatur oppstår konveksjonsblandingen, noe som reduserer frysetiden;
gasser oppløst i vann senker frysepunktet, tar energi til krystalldannelse - det er ingen oppløste gasser i varmt vann.

Alle disse forholdene har vært utsatt for gjentatt eksperimentell verifisering. Spesielt oppdaget den tyske forskeren David Auerbach at krystalliseringstemperaturen til varmt vann er litt høyere enn for kaldt vann, noe som gjør det mulig å fryse førstnevnte raskere. Imidlertid ble eksperimentene hans senere kritisert, og mange forskere er overbevist om at "Mpemba-effekten" som vann fryser raskere - varmt eller kaldt, bare kan reproduseres under visse forhold, som ingen har lett etter og konkretisert så langt.

Renset ved fordampning, avkjøling og kondensering, har væsken spesielle fysiske egenskaper. Det anbefales å bruke det i varmesystemet, siden det ikke er salter, så vel som oksygen. Dette har en positiv effekt på varigheten av utstyrets drift.

Men mange er interessert i spørsmålet, fryser destillert vann ved temperaturer under 0˚ C?

Det er lett å gjennomføre et eksperiment hjemme, og få svar på dette spørsmålet. Vi vil se at ved 0˚ C vil det forbli flytende. Selv om vi senker temperaturen, vil dens fysiske tilstand ikke endre seg.

Så ved hvilken temperatur fryser vannet?

En interessant egenskap ved destillert vann observeres ved en negativ temperatur. Hvis du senker et stykke is, snø, luft eller støv ned i det, vil det umiddelbart vises krystaller i hele volumet.

Dette skyldes det faktum at vann fra springen har mange krystalliseringssentre: salter, luft inne, overflaten av beholderen og så videre. Rensede væsker har ikke slike sentre. På grunn av dette kan det være betydelig superkjølt.

Fysikkens lover sier at jo mer en væske renses fra urenheter, jo lavere er terskelen for overgangen til fast tilstand.

Destillert vann fryser ved -10˚C og lavere. Dette forklarer dens fordel i forhold til andre kjølevæsker under oppvarmingsperioden. På grunn av denne egenskapen, ved oppvarming av et rom, kan den konkurrere med frostvæske.

Samtidig er det en rekke ekstra fordeler i forhold til andre kjølevæsker:

økologisk renslighet;
sikkerhet for menneskers liv og helse;
forsiktig holdning til rør;
brukervennlighet;
tilgjengelighet.

Nå vet du at destillert vann fryser ved temperaturer under 10 grader, så du kan være rolig med varmesystemet ditt.

Vi håper at artikkelen var nyttig for deg. Vi vil være takknemlige hvis du deler den på sosiale nettverk.

Ha en fin dag!

Les også:

Varmebærer for varmesystemet - hva brukes i dag?
Vannoppvarming i et privat hus - teknologien for implementeringen
Vannpumpe for oppvarming: prinsipp for drift og installasjon