Bonjour, chers amateurs de faits intéressants. Aujourd'hui, nous allons vous en parler. Mais je pense que la question posée dans le titre peut sembler tout simplement absurde - mais faut-il toujours se fier sans réserve au fameux « bon sens » et non à une expérience de test strictement établie. Essayons de comprendre pourquoi l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide ?

Contexte historique

Que dans la question de l'eau froide et chaude glaciale, « tout n'est pas pur » a été mentionné dans les travaux d'Aristote, puis des notes similaires ont été faites par F. Bacon, R. Descartes et J. Black. Dans l’histoire récente, cet effet a reçu le nom de « Paradoxe de Mpemba » – du nom d’un écolier du Tanganyika, Erasto Mpemba, qui a posé la même question à un professeur de physique invité.

La question du garçon n’est pas née de nulle part, mais d’observations purement personnelles du processus de refroidissement des mélanges de glaces dans la cuisine. Bien sûr, les camarades de classe présents là-bas, ainsi que le professeur de l'école, ont fait rire Mpemba - cependant, après un test expérimental réalisé personnellement par le professeur D. Osborne, le désir de se moquer d'Erasto s'est « évaporé » d'eux. De plus, Mpemba, en collaboration avec un professeur, a publié une description détaillée de cet effet dans Physics Education en 1969 - et depuis lors, le nom mentionné ci-dessus a été fixé dans la littérature scientifique.

Quelle est l’essence du phénomène ?

Le montage de l'expérience est assez simple : toutes choses égales par ailleurs, on teste des récipients identiques à parois minces, contenant des quantités d'eau strictement égales, ne différant que par la température. Les récipients sont chargés dans le réfrigérateur, après quoi le temps nécessaire à la formation de glace dans chacun d'eux est enregistré. Le paradoxe est que dans un récipient contenant un liquide initialement plus chaud, cela se produit plus rapidement.


Comment la physique moderne explique-t-elle cela ?

Le paradoxe n'a pas d'explication universelle, puisque plusieurs processus parallèles se produisent ensemble, dont la contribution peut varier en fonction des conditions initiales spécifiques - mais avec un résultat uniforme :

  • la capacité d'un liquide à surfondre - initialement l'eau froide est plus sujette à l'hypothermie, c'est-à-dire reste liquide lorsque sa température est déjà inférieure au point de congélation
  • refroidissement accéléré - la vapeur de l'eau chaude est transformée en microcristaux de glace qui, en retombant, accélèrent le processus, fonctionnant comme un « échangeur de chaleur externe » supplémentaire
  • effet isolant - contrairement à l'eau chaude, l'eau froide gèle par le haut, ce qui entraîne une diminution du transfert de chaleur par convection et rayonnement

Il existe un certain nombre d'autres explications (la dernière fois que la British Royal Society of Chemistry a organisé un concours pour la meilleure hypothèse, c'était récemment, en 2012) - mais il n'existe toujours pas de théorie univoque pour tous les cas de combinaisons de conditions d'entrée...

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi l'eau chauffée à 82 degrés Celsius gèle plus rapidement que l'eau froide ? Probablement pas, je suis d’autant plus sûr que la question ne vous est jamais venue à l’esprit : quelle eau gèle plus vite, chaude ou froide ?

Cependant, cette découverte étonnante a été faite par un écolier africain ordinaire, Erasto Mpemba, en 1963. C'était l'expérience habituelle d'un garçon curieux, bien sûr, il ne pouvait pas interpréter correctement le sens de son message et, de plus, jusqu'en 1966, les scientifiques du monde entier ne pouvaient pas donner une explication claire et étayée. réponse à la question - pourquoi l'eau chaude gèle plus vite que le froid.

Pourquoi l'eau chaude gèle-t-elle à 4 degrés Celsius et l'eau froide à 0 °C ?

L'eau froide contient beaucoup d'oxygène dissous, c'est lui qui maintient la température de congélation de l'eau à 0 degré. Si l'oxygène est éliminé de l'eau, et c'est ce qui se produit lorsque l'eau est chauffée, les bulles d'air dissoutes dans l'eau, comme il est à la mode de le dire maintenant, s'effondrent, l'eau ne se transforme pas en glace à zéro degré comme d'habitude, et déjà à 4 °C. C'est l'oxygène dissous dans l'eau qui rompt les liaisons entre les molécules d'eau, empêchant l'eau de passer de l'état liquide à l'état solide, et qui se transformera simplement en

Effet Mpemba(Paradoxe de Mpemba) - un paradoxe selon lequel l'eau chaude, dans certaines conditions, gèle plus rapidement que l'eau froide, même si elle doit dépasser la température de l'eau froide en cours de congélation. Ce paradoxe est un fait expérimental qui contredit les idées habituelles selon lesquelles, dans les mêmes conditions, un corps plus chauffé met plus de temps à se refroidir jusqu'à une certaine température qu'un corps moins chauffé à se refroidir à la même température.

Ce phénomène a été remarqué à une époque par Aristote, Francis Bacon et René Descartes, mais ce n'est qu'en 1963 que l'écolier tanzanien Erasto Mpemba a découvert qu'un mélange de glace chaud gèle plus vite qu'un mélange froid.

Étudiant au lycée Magambi en Tanzanie, Erasto Mpemba a effectué des travaux pratiques de cuisinier. Il devait faire de la glace maison : faire bouillir le lait, y dissoudre le sucre, le refroidir à température ambiante, puis le mettre au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n’était pas un élève particulièrement assidu et a tardé à terminer la première partie de la tâche. Craignant de ne pas pouvoir arriver à la fin du cours, il a mis le lait encore chaud au réfrigérateur. À sa grande surprise, il a gelé encore plus tôt que le lait de ses camarades, préparé selon la technologie donnée.

Après cela, Mpemba expérimenta non seulement avec du lait, mais aussi avec de l'eau ordinaire. En tout cas, déjà étudiant à l'école secondaire de Mkwava, il a demandé au professeur Dennis Osborne du Collège universitaire de Dar Es Salaam (invité par le directeur de l'école pour donner une conférence de physique aux étudiants) spécifiquement sur l'eau : « Si vous prenez deux récipients identiques avec des volumes d'eau égaux pour que dans l'un l'eau ait une température de 35°C et dans l'autre - 100°C, et mettez-les au congélateur, puis dans le second l'eau gèlera plus rapidement. Pourquoi? Osborne s'est intéressé à cette question et bientôt, en 1969, lui et Mpemba ont publié les résultats de leurs expériences dans la revue Physics Education. Depuis lors, l'effet qu'ils ont découvert est appelé Effet Mpemba.

Jusqu’à présent, personne ne sait exactement comment expliquer cet effet étrange. Les scientifiques n’ont pas une seule version, bien qu’il en existe plusieurs. Tout dépend de la différence entre les propriétés de l'eau chaude et de l'eau froide, mais on ne sait pas encore quelles propriétés jouent un rôle dans ce cas : la différence de surfusion, d'évaporation, de formation de glace, de convection ou l'effet des gaz liquéfiés sur l'eau à températures différentes.

Le paradoxe de l'effet Mpemba est que le temps pendant lequel un corps se refroidit jusqu'à la température ambiante devrait être proportionnel à la différence de température entre ce corps et l'environnement. Cette loi a été établie par Newton et a depuis été maintes fois confirmée dans la pratique. Dans cet effet, l'eau à une température de 100°C refroidit à une température de 0°C plus rapidement que la même quantité d'eau à une température de 35°C.

Cependant, cela n'implique pas encore de paradoxe, puisque l'effet Mpemba peut être expliqué dans le cadre de la physique connue. Voici quelques explications sur l’effet Mpemba :

Évaporation

L'eau chaude s'évapore plus rapidement du récipient, réduisant ainsi son volume, et un plus petit volume d'eau à la même température gèle plus rapidement. L'eau chauffée à 100 C perd 16 % de sa masse lorsqu'elle est refroidie à 0 C.

L'effet d'évaporation est un double effet. Premièrement, la masse d’eau nécessaire au refroidissement diminue. Et deuxièmement, la température diminue du fait que la chaleur d'évaporation de la transition de la phase eau à la phase vapeur diminue.

Différence de température

Du fait que la différence de température entre l'eau chaude et l'air froid est plus grande, l'échange thermique dans ce cas est plus intense et l'eau chaude refroidit plus rapidement.

Hypothermie

Lorsque l’eau refroidit en dessous de 0°C, elle ne gèle pas toujours. Dans certaines conditions, il peut subir une surfusion, continuant à rester liquide à des températures inférieures à zéro. Dans certains cas, l'eau peut rester liquide même à une température de –20 C.

La raison de cet effet est que pour que les premiers cristaux de glace commencent à se former, des centres de formation de cristaux sont nécessaires. S'ils ne sont pas présents dans l'eau liquide, la surfusion se poursuivra jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que des cristaux commencent à se former spontanément. Lorsqu’ils commencent à se former dans le liquide surfondu, ils commencent à croître plus rapidement, formant de la neige fondante, qui gèlera pour former de la glace.

L'eau chaude est la plus sensible à l'hypothermie car son chauffage élimine les gaz dissous et les bulles, qui à leur tour peuvent servir de centres de formation de cristaux de glace.

Pourquoi l’hypothermie fait-elle geler l’eau chaude plus rapidement ? Dans le cas d’eau froide non surfondue, voici ce qui se produit. Dans ce cas, une fine couche de glace se formera à la surface du navire. Cette couche de glace agira comme un isolant entre l’eau et l’air froid et empêchera une évaporation supplémentaire. Dans ce cas, le taux de formation de cristaux de glace sera inférieur. Dans le cas de l’eau chaude soumise à une surfusion, l’eau surfondue n’a pas de couche superficielle protectrice de glace. Par conséquent, il perd de la chaleur beaucoup plus rapidement grâce au toit ouvert.

Lorsque le processus de surfusion se termine et que l'eau gèle, beaucoup plus de chaleur est perdue et donc plus de glace se forme.

De nombreux chercheurs sur cet effet considèrent l'hypothermie comme le principal facteur dans le cas de l'effet Mpemba.

Convection

L'eau froide commence à geler par le haut, aggravant ainsi les processus de rayonnement thermique et de convection, et donc la perte de chaleur, tandis que l'eau chaude commence à geler par le bas.

Cet effet s'explique par une anomalie de densité de l'eau. L'eau a une densité maximale à 4 °C. Si vous refroidissez l'eau à 4 °C et la mettez à une température plus basse, la couche superficielle d'eau gèlera plus rapidement. Parce que cette eau est moins dense que l’eau à une température de 4 C, elle restera en surface, formant une fine couche froide. Dans ces conditions, une fine couche de glace se formera à la surface de l’eau en peu de temps, mais cette couche de glace servira d’isolant, protégeant les couches d’eau inférieures, qui resteront à une température de 4 C. Par conséquent, le processus de refroidissement ultérieur sera plus lent.

Dans le cas de l’eau chaude, la situation est complètement différente. La couche d’eau superficielle se refroidira plus rapidement en raison de l’évaporation et d’une plus grande différence de température. De plus, les couches d’eau froide sont plus denses que les couches d’eau chaude, de sorte que la couche d’eau froide descendra, remontant la couche d’eau chaude à la surface. Cette circulation d'eau assure une baisse rapide de la température.

Mais pourquoi ce processus n’atteint-il pas un point d’équilibre ? Pour expliquer l'effet Mpemba de ce point de vue de la convection, il faudrait supposer que les couches d'eau froide et chaude sont séparées et que le processus de convection lui-même se poursuit après que la température moyenne de l'eau descende en dessous de 4 C.

Cependant, il n’existe aucune preuve expérimentale pour étayer cette hypothèse selon laquelle les couches d’eau froide et chaude sont séparées par le processus de convection.

Gaz dissous dans l'eau

L'eau contient toujours des gaz dissous - de l'oxygène et du dioxyde de carbone. Ces gaz ont la capacité d’abaisser le point de congélation de l’eau. Lorsque l’eau est chauffée, ces gaz sont libérés de l’eau car leur solubilité dans l’eau est plus faible à haute température. Par conséquent, lorsque l’eau chaude refroidit, elle contient toujours moins de gaz dissous que l’eau froide non chauffée. Par conséquent, le point de congélation de l’eau chauffée est plus élevé et elle gèle plus rapidement. Ce facteur est parfois considéré comme le principal facteur expliquant l’effet Mpemba, bien qu’il n’existe aucune donnée expérimentale confirmant ce fait.

Conductivité thermique

Ce mécanisme peut jouer un rôle important lorsque l'eau est placée dans le compartiment réfrigérateur-congélateur dans de petits récipients. Dans ces conditions, il a été observé qu'un récipient d'eau chaude faisait fondre la glace présente dans le congélateur en dessous, améliorant ainsi le contact thermique avec la paroi du congélateur et la conductivité thermique. En conséquence, la chaleur est évacuée plus rapidement d’un récipient d’eau chaude que d’un récipient d’eau froide. À son tour, un récipient contenant de l’eau froide ne fait pas fondre la neige en dessous.

Toutes ces conditions (ainsi que d'autres) ont été étudiées dans de nombreuses expériences, mais une réponse claire à la question - laquelle d'entre elles permet de reproduire à cent pour cent l'effet Mpemba - n'a jamais été obtenue.

Par exemple, en 1995, le physicien allemand David Auerbach a étudié l'effet de l'eau en surfusion sur cet effet. Il a découvert que l'eau chaude, atteignant un état de surfusion, gèle à une température plus élevée que l'eau froide, et donc plus rapidement que cette dernière. Mais l'eau froide atteint un état de surfusion plus rapidement que l'eau chaude, compensant ainsi le décalage précédent.

De plus, les résultats d'Auerbach contredisaient les données précédentes selon lesquelles l'eau chaude était capable d'obtenir une surfusion plus importante grâce au nombre réduit de centres de cristallisation. Lorsque l'eau est chauffée, les gaz qui y sont dissous en sont éliminés et lorsqu'elle est bouillie, certains sels qui y sont dissous précipitent.

Pour l'instant, une seule chose peut être affirmée : la reproduction de cet effet dépend largement des conditions dans lesquelles l'expérience est réalisée. Justement parce qu’il n’est pas toujours reproduit.

O.V. Mosin

Littérairesources:

"L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. Pourquoi fait-elle cela?", Jearl Walker dans The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, non. 3, pages 246-257 ; Septembre 1977.

"La congélation de l'eau chaude et froide", G.S. Kell dans American Journal of Physics, Vol. 37, non. 5, pages 564-565 ; Mai 1969.

"La surfusion et l'effet Mpemba", David Auerbach, dans American Journal of Physics, Vol. 63, non. 10, pages 882-885 ; Octobre 1995.

"L'effet Mpemba : les temps de congélation de l'eau chaude et froide", Charles A. Knight, dans American Journal of Physics, Vol. 64, non. 5, p. 524 ; Mai 1996.

Effet Mpemba(Le paradoxe de Mpemba) est un paradoxe selon lequel l'eau chaude, dans certaines conditions, gèle plus rapidement que l'eau froide, même si elle doit dépasser la température de l'eau froide pendant le processus de congélation. Ce paradoxe est un fait expérimental qui contredit les idées habituelles selon lesquelles, dans les mêmes conditions, un corps plus chauffé met plus de temps à se refroidir jusqu'à une certaine température qu'un corps moins chauffé à se refroidir à la même température.

Ce phénomène a été remarqué à une époque par Aristote, Francis Bacon et René Descartes, mais ce n'est qu'en 1963 que l'écolier tanzanien Erasto Mpemba a découvert qu'un mélange de glace chaud gèle plus vite qu'un mélange froid.

Étudiant au lycée Magambi en Tanzanie, Erasto Mpemba a effectué des travaux pratiques de cuisinier. Il devait faire de la glace maison : faire bouillir le lait, y dissoudre le sucre, le refroidir à température ambiante, puis le mettre au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n’était pas un élève particulièrement assidu et a tardé à terminer la première partie de la tâche. Craignant de ne pas pouvoir arriver à la fin du cours, il a mis le lait encore chaud au réfrigérateur. À sa grande surprise, il a gelé encore plus tôt que le lait de ses camarades, préparé selon la technologie donnée.

Après cela, Mpemba expérimenta non seulement avec du lait, mais aussi avec de l'eau ordinaire. En tout cas, déjà étudiant à l'école secondaire de Mkwava, il a demandé au professeur Dennis Osborne du Collège universitaire de Dar Es Salaam (invité par le directeur de l'école pour donner une conférence de physique aux étudiants) spécifiquement sur l'eau : « Si vous prenez deux récipients identiques avec des volumes d'eau égaux pour que dans l'un l'eau ait une température de 35°C et dans l'autre - 100°C, et mettez-les au congélateur, puis dans le second l'eau gèlera plus rapidement. Pourquoi? Osborne s'est intéressé à cette question et bientôt, en 1969, lui et Mpemba ont publié les résultats de leurs expériences dans la revue Physics Education. Depuis lors, l'effet qu'ils ont découvert est appelé Effet Mpemba.

Jusqu’à présent, personne ne sait exactement comment expliquer cet effet étrange. Les scientifiques n’ont pas une seule version, bien qu’il en existe plusieurs. Tout dépend de la différence entre les propriétés de l'eau chaude et de l'eau froide, mais on ne sait pas encore quelles propriétés jouent un rôle dans ce cas : la différence de surfusion, d'évaporation, de formation de glace, de convection ou l'effet des gaz liquéfiés sur l'eau à températures différentes.

Le paradoxe de l'effet Mpemba est que le temps pendant lequel un corps se refroidit jusqu'à la température ambiante devrait être proportionnel à la différence de température entre ce corps et l'environnement. Cette loi a été établie par Newton et a depuis été maintes fois confirmée dans la pratique. Dans cet effet, l'eau à une température de 100°C refroidit à une température de 0°C plus rapidement que la même quantité d'eau à une température de 35°C.

Cependant, cela n'implique pas encore de paradoxe, puisque l'effet Mpemba peut être expliqué dans le cadre de la physique connue. Voici quelques explications sur l’effet Mpemba :

Évaporation

L'eau chaude s'évapore plus rapidement du récipient, réduisant ainsi son volume, et un plus petit volume d'eau à la même température gèle plus rapidement. L'eau chauffée à 100 C perd 16 % de sa masse lorsqu'elle est refroidie à 0 C.

L'effet d'évaporation est un double effet. Premièrement, la masse d’eau nécessaire au refroidissement diminue. Et deuxièmement, la température diminue du fait que la chaleur d'évaporation de la transition de la phase eau à la phase vapeur diminue.

Différence de température

Du fait que la différence de température entre l'eau chaude et l'air froid est plus grande, l'échange thermique dans ce cas est plus intense et l'eau chaude refroidit plus rapidement.

Hypothermie

Lorsque l’eau refroidit en dessous de 0°C, elle ne gèle pas toujours. Dans certaines conditions, il peut subir une surfusion, continuant à rester liquide à des températures inférieures à zéro. Dans certains cas, l'eau peut rester liquide même à une température de –20 C.

La raison de cet effet est que pour que les premiers cristaux de glace commencent à se former, des centres de formation de cristaux sont nécessaires. S'ils ne sont pas présents dans l'eau liquide, la surfusion se poursuivra jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que des cristaux commencent à se former spontanément. Lorsqu’ils commencent à se former dans le liquide surfondu, ils commencent à croître plus rapidement, formant de la neige fondante, qui gèlera pour former de la glace.

L'eau chaude est la plus sensible à l'hypothermie car son chauffage élimine les gaz dissous et les bulles, qui à leur tour peuvent servir de centres de formation de cristaux de glace.

Pourquoi l’hypothermie fait-elle geler l’eau chaude plus rapidement ? Dans le cas d’eau froide non surfondue, voici ce qui se produit. Dans ce cas, une fine couche de glace se formera à la surface du navire. Cette couche de glace agira comme un isolant entre l’eau et l’air froid et empêchera une évaporation supplémentaire. Dans ce cas, le taux de formation de cristaux de glace sera inférieur. Dans le cas de l’eau chaude soumise à une surfusion, l’eau surfondue n’a pas de couche superficielle protectrice de glace. Par conséquent, il perd de la chaleur beaucoup plus rapidement grâce au toit ouvert.

Lorsque le processus de surfusion se termine et que l'eau gèle, beaucoup plus de chaleur est perdue et donc plus de glace se forme.

De nombreux chercheurs sur cet effet considèrent l'hypothermie comme le principal facteur dans le cas de l'effet Mpemba.

Convection

L'eau froide commence à geler par le haut, aggravant ainsi les processus de rayonnement thermique et de convection, et donc la perte de chaleur, tandis que l'eau chaude commence à geler par le bas.

Cet effet s'explique par une anomalie de densité de l'eau. L'eau a une densité maximale à 4 °C. Si vous refroidissez l'eau à 4 °C et la mettez à une température plus basse, la couche superficielle d'eau gèlera plus rapidement. Parce que cette eau est moins dense que l’eau à une température de 4 C, elle restera en surface, formant une fine couche froide. Dans ces conditions, une fine couche de glace se formera à la surface de l’eau en peu de temps, mais cette couche de glace servira d’isolant, protégeant les couches d’eau inférieures, qui resteront à une température de 4 C. Par conséquent, le processus de refroidissement ultérieur sera plus lent.

Dans le cas de l’eau chaude, la situation est complètement différente. La couche d’eau superficielle se refroidira plus rapidement en raison de l’évaporation et d’une plus grande différence de température. De plus, les couches d’eau froide sont plus denses que les couches d’eau chaude, de sorte que la couche d’eau froide descendra, remontant la couche d’eau chaude à la surface. Cette circulation d'eau assure une baisse rapide de la température.

Mais pourquoi ce processus n’atteint-il pas un point d’équilibre ? Pour expliquer l'effet Mpemba de ce point de vue de la convection, il faudrait supposer que les couches d'eau froide et chaude sont séparées et que le processus de convection lui-même se poursuit après que la température moyenne de l'eau descende en dessous de 4 C.

Cependant, il n’existe aucune preuve expérimentale pour étayer cette hypothèse selon laquelle les couches d’eau froide et chaude sont séparées par le processus de convection.

Gaz dissous dans l'eau

L'eau contient toujours des gaz dissous - de l'oxygène et du dioxyde de carbone. Ces gaz ont la capacité d’abaisser le point de congélation de l’eau. Lorsque l’eau est chauffée, ces gaz sont libérés de l’eau car leur solubilité dans l’eau est plus faible à haute température. Par conséquent, lorsque l’eau chaude refroidit, elle contient toujours moins de gaz dissous que l’eau froide non chauffée. Par conséquent, le point de congélation de l’eau chauffée est plus élevé et elle gèle plus rapidement. Ce facteur est parfois considéré comme le principal facteur expliquant l’effet Mpemba, bien qu’il n’existe aucune donnée expérimentale confirmant ce fait.

Conductivité thermique

Ce mécanisme peut jouer un rôle important lorsque l'eau est placée dans le compartiment réfrigérateur-congélateur dans de petits récipients. Dans ces conditions, il a été observé qu'un récipient d'eau chaude faisait fondre la glace présente dans le congélateur en dessous, améliorant ainsi le contact thermique avec la paroi du congélateur et la conductivité thermique. En conséquence, la chaleur est évacuée plus rapidement d’un récipient d’eau chaude que d’un récipient d’eau froide. À son tour, un récipient contenant de l’eau froide ne fait pas fondre la neige en dessous.

Toutes ces conditions (ainsi que d'autres) ont été étudiées dans de nombreuses expériences, mais une réponse claire à la question - laquelle d'entre elles permet de reproduire à cent pour cent l'effet Mpemba - n'a jamais été obtenue.

Par exemple, en 1995, le physicien allemand David Auerbach a étudié l'effet de l'eau en surfusion sur cet effet. Il a découvert que l'eau chaude, atteignant un état de surfusion, gèle à une température plus élevée que l'eau froide, et donc plus rapidement que cette dernière. Mais l'eau froide atteint un état de surfusion plus rapidement que l'eau chaude, compensant ainsi le décalage précédent.

De plus, les résultats d'Auerbach contredisaient les données précédentes selon lesquelles l'eau chaude était capable d'obtenir une surfusion plus importante grâce au nombre réduit de centres de cristallisation. Lorsque l'eau est chauffée, les gaz qui y sont dissous en sont éliminés et lorsqu'elle est bouillie, certains sels qui y sont dissous précipitent.

Pour l'instant, une seule chose peut être affirmée : la reproduction de cet effet dépend largement des conditions dans lesquelles l'expérience est réalisée. Justement parce qu’il n’est pas toujours reproduit.

De nombreux chercheurs ont proposé et proposent leurs propres versions expliquant pourquoi l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Cela semblerait paradoxal : après tout, pour geler, l'eau chaude doit d'abord être refroidie. Cependant, le fait demeure un fait et les scientifiques l'expliquent de différentes manières.

À l'heure actuelle, il existe plusieurs versions qui expliquent ce fait :

  1. L’eau chaude s’évaporant plus rapidement, son volume diminue. Et la congélation d'une plus petite quantité d'eau à la même température se produit plus rapidement.
  2. Le compartiment congélateur du réfrigérateur est doté d'une doublure anti-neige. Un récipient contenant de l'eau chaude fait fondre la neige en dessous. Cela améliore le contact thermique avec le congélateur.
  3. La congélation de l’eau froide, contrairement à l’eau chaude, commence par le haut. Dans le même temps, la convection et le rayonnement thermique et, par conséquent, les pertes de chaleur s'aggravent.
  4. L'eau froide contient des centres de cristallisation - des substances qui y sont dissoutes. Si leur teneur dans l'eau est faible, le givrage est difficile, même si en même temps une surfusion est possible - lorsqu'à des températures inférieures à zéro, il a un état liquide.

Bien qu'en toute honnêteté, nous puissions dire que cet effet n'est pas toujours observé. Très souvent, l’eau froide gèle plus vite que l’eau chaude.

A quelle température l'eau gèle

Pourquoi l’eau gèle-t-elle ? Il contient une certaine quantité de particules minérales ou organiques. Il peut s'agir par exemple de très petites particules de sable, de poussière ou d'argile. À mesure que la température de l’air diminue, ces particules constituent les centres autour desquels se forment les cristaux de glace.

Le rôle de noyaux de cristallisation peut également être joué par des bulles d'air et des fissures dans le récipient contenant de l'eau. La vitesse du processus de transformation de l'eau en glace est largement influencée par le nombre de ces centres - s'il y en a beaucoup, le liquide gèle plus rapidement. Dans des conditions normales, avec une pression atmosphérique normale, l'eau passe du liquide à l'état solide à une température de 0 degré.

L'essence de l'effet Mpemba

L'effet Mpemba est un paradoxe dont l'essence est que dans certaines circonstances, l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Ce phénomène a été remarqué par Aristote et Descartes. Cependant, ce n’est qu’en 1963 qu’Erasto Mpemba, un écolier tanzanien, a découvert que la glace chaude se congèle plus rapidement que la glace froide. Il a tiré cette conclusion alors qu’il effectuait un devoir de cuisine.

Il devait dissoudre le sucre dans le lait bouilli et, après l'avoir refroidi, le placer au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n’a pas été particulièrement diligent et a commencé tardivement à terminer la première partie de la tâche. Par conséquent, il n’a pas attendu que le lait refroidisse et l’a mis chaud au réfrigérateur. Il a été très surpris lorsqu'il a gelé encore plus vite que celui de ses camarades de classe, qui effectuaient le travail conformément à la technologie donnée.

Ce fait intéressa beaucoup le jeune homme et il commença des expériences avec de l'eau claire. En 1969, la revue Physics Education a publié les résultats des recherches menées par Mpemba et le professeur Dennis Osborne de l'Université de Dar Es Salaam. L’effet qu’ils ont décrit a reçu le nom de Mpemba. Cependant, même aujourd’hui, il n’existe aucune explication claire à ce phénomène. Tous les scientifiques conviennent que le rôle principal appartient aux différences dans les propriétés de l'eau réfrigérée et chaude, mais on ne sait pas exactement quoi.

Version Singapour

Des physiciens d'une des universités de Singapour se sont également intéressés à la question de savoir quelle eau gèle le plus rapidement : chaude ou froide ? Une équipe de chercheurs dirigée par Xi Zhang a expliqué ce paradoxe précisément par les propriétés de l'eau. Tout le monde connaît la composition de l'eau depuis l'école : un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. L'oxygène éloigne dans une certaine mesure les électrons de l'hydrogène, la molécule est donc une certaine sorte d'« aimant ».

En conséquence, certaines molécules de l’eau sont légèrement attirées les unes par les autres et sont unies par une liaison hydrogène. Sa force est plusieurs fois inférieure à celle d'une liaison covalente. Des chercheurs singapouriens estiment que l'explication du paradoxe de Mpemba réside précisément dans les liaisons hydrogène. Si les molécules d’eau sont très étroitement rapprochées, une interaction aussi forte entre les molécules peut déformer la liaison covalente au milieu de la molécule elle-même.

Mais lorsque l’eau est chauffée, les molécules liées s’éloignent légèrement les unes des autres. En conséquence, la relaxation des liaisons covalentes se produit au milieu des molécules avec libération d'énergie excédentaire et transition vers un niveau d'énergie inférieur. Cela conduit au fait que l'eau chaude commence à refroidir rapidement. C’est du moins ce que montrent les calculs théoriques effectués par des scientifiques singapouriens.

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