Hallo, beste liefhebbers van interessante feiten. Vandaag zullen we er met je over praten. Maar ik denk dat de vraag die in de titel wordt gesteld eenvoudigweg absurd lijkt - maar dat je altijd onverdeeld moet vertrouwen op het beruchte 'gezonde verstand' en niet op een strikt vastgesteld testexperiment. Laten we proberen erachter te komen waarom warm water sneller bevriest dan koud water?

Historische referentie

Dat in de kwestie van ijskoud en heet water “niet alles puur is” werd genoemd in de werken van Aristoteles, en soortgelijke aantekeningen werden gemaakt door F. Bacon, R. Descartes en J. Black. In de recente geschiedenis heeft dit effect de naam “Mpemba’s Paradox” gekregen – genoemd naar een schooljongen uit Tanganyika, Erasto Mpemba, die dezelfde vraag stelde aan een bezoekende natuurkundeprofessor.

De vraag van de jongen kwam niet uit het niets voort, maar uit puur persoonlijke observaties van het proces van het koelen van ijsmengsels in de keuken. Natuurlijk maakten de klasgenoten die daar aanwezig waren, samen met de schoolleraar, Mpemba aan het lachen - maar na een experimentele test persoonlijk door professor D. Osborne 'verdampte' het verlangen om Erasto voor de gek te houden. Bovendien publiceerde Mpemba in 1969 samen met een professor een gedetailleerde beschrijving van dit effect in Physics Education - en sindsdien is bovengenoemde naam vastgelegd in de wetenschappelijke literatuur.

Wat is de essentie van het fenomeen?

De opzet van het experiment is vrij eenvoudig: als alle overige omstandigheden gelijk blijven, worden identieke dunwandige vaten getest, die strikt gelijke hoeveelheden water bevatten en alleen qua temperatuur verschillen. De vaten worden in de koelkast geladen, waarna de tijd tot ijsvorming in elk van hen wordt geregistreerd. De paradox is dat dit in een vat met een aanvankelijk hetere vloeistof sneller gebeurt.


Hoe verklaart de moderne natuurkunde dit?

De paradox heeft geen universele verklaring, aangezien verschillende parallelle processen samen plaatsvinden, waarvan de bijdrage kan variëren afhankelijk van de specifieke beginvoorwaarden - maar met een uniform resultaat:

  • het vermogen van een vloeistof om onderkoeld te raken - aanvankelijk is koud water gevoeliger voor onderkoeling, d.w.z. blijft vloeibaar als de temperatuur al onder het vriespunt ligt
  • versnelde koeling - stoom uit heet water wordt omgezet in ijsmicrokristallen, die, wanneer ze terugvallen, het proces versnellen en werken als een extra "externe warmtewisselaar"
  • isolatie-effect - in tegenstelling tot warm water bevriest koud water van bovenaf, wat leidt tot een afname van de warmteoverdracht door convectie en straling

Er zijn een aantal andere verklaringen (de laatste keer dat de Britse Royal Society of Chemistry een wedstrijd hield voor de beste hypothese was onlangs, in 2012) - maar er is nog steeds geen eenduidige theorie voor alle gevallen van combinaties van invoervoorwaarden...

Heb je je ooit afgevraagd waarom water dat tot 82 graden Celsius wordt verwarmd, sneller bevriest dan koud water? Hoogstwaarschijnlijk niet, ik ben er zelfs meer dan zeker van dat de vraag nog nooit bij je is opgekomen: welk water bevriest sneller, warm of koud?

Deze verbazingwekkende ontdekking werd echter in 1963 gedaan door een gewone Afrikaanse schooljongen, Erasto Mpemba. Dit was de gebruikelijke ervaring van een nieuwsgierige jongen, hij kon de betekenis van zijn woorden natuurlijk niet correct interpreteren en bovendien konden wetenschappers van over de hele wereld tot 1966 geen duidelijk en onderbouwd antwoord geven. antwoord op de vraag - waarom warm water bevriest sneller dan koud.

Waarom bevriest warm water bij 4 graden Celsius en koud water bij 0 graden Celsius?

Koud water bevat veel opgeloste zuurstof, hij is het die de vriestemperatuur van water op 0 graden houdt. Als zuurstof uit het water wordt verwijderd, en dit is wat er gebeurt als water wordt verwarmd, vallen de luchtbellen die in het water zijn opgelost in elkaar, zoals dat nu in de mode is, en verandert het water in ijs, niet bij nul graden zoals gewoonlijk. en al bij 4 °C. Het is zuurstof opgelost in water die de bindingen tussen watermoleculen verbreekt, waardoor wordt voorkomen dat water van een vloeibare naar een vaste toestand overgaat en eenvoudigweg verandert in

Mpemba-effect(Mpemba's 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 gebruikelijke ideeën, volgens welke, onder dezelfde omstandigheden, een meer verwarmd lichaam meer tijd nodig heeft om af te koelen tot een bepaalde temperatuur dan een minder verwarmd lichaam om af te koelen tot dezelfde temperatuur.

Dit fenomeen werd ooit 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 mengsel.

Als student aan de Magambi High School in Tanzania deed Erasto Mpemba praktijkwerk als kok. Hij moest zelfgemaakt ijs maken - melk koken, suiker erin oplossen, afkoelen tot kamertemperatuur en vervolgens in de koelkast zetten om te bevriezen. Blijkbaar was Mpemba geen bijzonder ijverige student en stelde hij de voltooiing van het eerste deel van de taak uit. Uit angst dat hij het einde van de les niet zou halen, zette hij nog hete melk in de koelkast. Tot zijn verbazing bevroor het zelfs eerder dan de melk van zijn kameraden, bereid volgens de gegeven technologie.

Hierna experimenteerde Mpemba niet alleen met melk, maar ook met gewoon water. Hoe dan ook, al als student aan de Mkwava Secondary School vroeg hij professor Dennis Osborne van het University College in Dar Es Salaam (uitgenodigd door de schooldirecteur om een ​​lezing over natuurkunde aan de studenten te geven) specifiek over water: “Als je twee identieke containers met gelijke volumes water, zodat het water in de ene een temperatuur van 35°C heeft, en in de andere - 100°C, en ze in de vriezer plaatsen, en in de tweede zal het water sneller bevriezen. Waarom? Osborne raakte geïnteresseerd in deze kwestie en al snel, in 1969, publiceerden hij en Mpemba de resultaten van hun experimenten in het tijdschrift Physics Education. Sindsdien wordt het effect dat ze ontdekten genoemd Mpemba-effect.

Tot nu toe weet niemand precies hoe dit vreemde effect moet worden verklaard. Wetenschappers hebben geen enkele versie, hoewel er veel zijn. Het gaat om het verschil in eigenschappen van warm en koud water, maar welke eigenschappen daarbij een rol spelen is nog niet duidelijk: 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 een lichaam afkoelt tot de omgevingstemperatuur evenredig moet zijn aan het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving. Deze wet is opgesteld door Newton en is sindsdien vele malen in de praktijk bevestigd. Door dit effect koelt water met een temperatuur van 100°C sneller af naar een temperatuur van 0°C dan dezelfde hoeveelheid water met een temperatuur van 35°C.

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

Verdamping

Heet water verdampt sneller uit de container, waardoor het volume kleiner wordt, en een kleiner volume water bij dezelfde temperatuur bevriest sneller. Water dat tot 100 C wordt verwarmd, verliest 16% van zijn massa als het wordt afgekoeld tot 0 C.

Het verdampingseffect is een dubbel effect. Ten eerste neemt de hoeveelheid water die nodig is voor koeling af. En ten tweede neemt de temperatuur af doordat de verdampingswarmte van de overgang van de waterfase naar de stoomfase afneemt.

Temperatuur verschil

Omdat het temperatuurverschil tussen warm water en koude lucht groter is, is de warmte-uitwisseling in dit geval intenser en koelt het warme water sneller af.

Hypothermie

Wanneer water afkoelt tot onder 0 C, bevriest het niet altijd. Onder bepaalde omstandigheden kan het onderkoeling ondergaan en blijft het vloeibaar bij temperaturen onder het vriespunt. In sommige gevallen kan water zelfs bij een temperatuur van –20 C vloeibaar blijven.

De reden voor dit effect is dat er kristalvormingscentra nodig zijn om de eerste ijskristallen te kunnen vormen. Als ze niet aanwezig zijn in vloeibaar water, zal de onderkoeling doorgaan totdat de temperatuur voldoende daalt om spontaan kristallen te vormen. Wanneer ze zich beginnen te vormen in de onderkoelde vloeistof, zullen ze sneller gaan groeien en slush-ijs vormen, dat zal bevriezen en ijs zal vormen.

Heet water is het meest vatbaar voor onderkoeling, omdat bij verhitting opgeloste gassen en bellen worden verwijderd, 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 zal als isolator fungeren tussen het water en de koude lucht en verdere verdamping voorkomen. De snelheid van vorming van ijskristallen zal in dit geval lager zijn. In het geval van heet water dat wordt onderworpen aan onderkoeling, heeft het onderkoelde water geen beschermende oppervlaktelaag van ijs. Daarom verliest het veel sneller warmte via 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, en dus warmteverlies, worden verergerd, terwijl heet water van onderaf begint te bevriezen.

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

In het geval van warm water is de situatie compleet anders. De oppervlaktelaag van water zal sneller afkoelen door verdamping en een groter temperatuurverschil. Bovendien zijn koudwaterlagen dichter dan heetwaterlagen, waardoor de koudwaterlaag naar beneden zal zinken, waardoor de warmwaterlaag naar de oppervlakte komt. Deze watercirculatie zorgt voor een snelle temperatuurdaling.

Maar waarom bereikt dit proces geen evenwichtspunt? 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 gescheiden zijn 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 koude en hete waterlagen worden gescheiden door het proces van convectie.

Gassen opgelost in water

Water bevat altijd opgeloste gassen: zuurstof en koolstofdioxide. Deze gassen hebben het vermogen om het vriespunt van water te verlagen. Bij het verwarmen van water komen deze gassen vrij uit het water, omdat hun oplosbaarheid in water lager is bij hoge temperaturen. Wanneer warm water afkoelt, bevat het 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 bakjes in de vriezer van het koelgedeelte wordt geplaatst. Onder deze omstandigheden is waargenomen dat een bak met heet water het ijs in de vriezer eronder doet smelten, waardoor het thermisch contact met de vriezerwand en de thermische geleidbaarheid worden verbeterd. Hierdoor wordt de warmte uit een warmwaterbak sneller afgevoerd dan uit een koude bak. Een bak met koud water doet op zijn beurt de sneeuw eronder niet smelten.

Al deze (en ook andere) omstandigheden werden in veel experimenten bestudeerd, maar een duidelijk antwoord op de vraag - welke daarvan een honderd procent reproductie van het Mpemba-effect opleveren - werd nooit verkregen.

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

Bovendien waren de resultaten van Auerbach in tegenspraak met eerdere gegevens dat heet water een grotere onderkoeling kon bereiken dankzij minder kristallisatiecentra. Wanneer water wordt verwarmd, worden de daarin opgeloste gassen eruit verwijderd, en wanneer het wordt gekookt, slaan sommige daarin opgeloste zouten neer.

Voorlopig kan er maar één ding worden gezegd: de reproductie van dit effect hangt in grote mate af van de omstandigheden waaronder het experiment wordt uitgevoerd. Juist omdat het niet altijd wordt gereproduceerd.

O. V. Mosin

Literairbronnen:

"Heet water bevriest sneller dan koud water. Waarom doet het dat?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 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.

"Superkoeling en het Mpemba-effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, Nee. 10, blz. 882-885; Oktober 1995.

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

Mpemba-effect(Mpemba's Paradox) is een paradox die stelt dat warm water onder bepaalde omstandigheden sneller bevriest dan koud water, hoewel het tijdens het bevriezingsproces de temperatuur van koud water moet overschrijden. Deze paradox is een experimenteel feit dat in tegenspraak is met de gebruikelijke ideeën, volgens welke, onder dezelfde omstandigheden, een meer verwarmd lichaam meer tijd nodig heeft om af te koelen tot een bepaalde temperatuur dan een minder verwarmd lichaam om af te koelen tot dezelfde temperatuur.

Dit fenomeen werd ooit 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 mengsel.

Als student aan de Magambi High School in Tanzania deed Erasto Mpemba praktijkwerk als kok. Hij moest zelfgemaakt ijs maken - melk koken, suiker erin oplossen, afkoelen tot kamertemperatuur en vervolgens in de koelkast zetten om te bevriezen. Blijkbaar was Mpemba geen bijzonder ijverige student en stelde hij de voltooiing van het eerste deel van de taak uit. Uit angst dat hij het einde van de les niet zou halen, zette hij nog hete melk in de koelkast. Tot zijn verbazing bevroor het zelfs eerder dan de melk van zijn kameraden, bereid volgens de gegeven technologie.

Hierna experimenteerde Mpemba niet alleen met melk, maar ook met gewoon water. Hoe dan ook, al als student aan de Mkwava Secondary School vroeg hij professor Dennis Osborne van het University College in Dar Es Salaam (uitgenodigd door de schooldirecteur om een ​​lezing over natuurkunde aan de studenten te geven) specifiek over water: “Als je twee identieke containers met gelijke volumes water, zodat het water in de ene een temperatuur van 35°C heeft, en in de andere - 100°C, en ze in de vriezer plaatsen, en in de tweede zal het water sneller bevriezen. Waarom? Osborne raakte geïnteresseerd in deze kwestie en al snel, in 1969, publiceerden hij en Mpemba de resultaten van hun experimenten in het tijdschrift Physics Education. Sindsdien wordt het effect dat ze ontdekten genoemd Mpemba-effect.

Tot nu toe weet niemand precies hoe dit vreemde effect moet worden verklaard. Wetenschappers hebben geen enkele versie, hoewel er veel zijn. Het gaat om het verschil in eigenschappen van warm en koud water, maar welke eigenschappen daarbij een rol spelen is nog niet duidelijk: 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 een lichaam afkoelt tot de omgevingstemperatuur evenredig moet zijn aan het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving. Deze wet is opgesteld door Newton en is sindsdien vele malen in de praktijk bevestigd. Door dit effect koelt water met een temperatuur van 100°C sneller af naar een temperatuur van 0°C dan dezelfde hoeveelheid water met een temperatuur van 35°C.

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

Verdamping

Heet water verdampt sneller uit de container, waardoor het volume kleiner wordt, en een kleiner volume water bij dezelfde temperatuur bevriest sneller. Water dat tot 100 C wordt verwarmd, verliest 16% van zijn massa als het wordt afgekoeld tot 0 C.

Het verdampingseffect is een dubbel effect. Ten eerste neemt de hoeveelheid water die nodig is voor koeling af. En ten tweede neemt de temperatuur af doordat de verdampingswarmte van de overgang van de waterfase naar de stoomfase afneemt.

Temperatuur verschil

Omdat het temperatuurverschil tussen warm water en koude lucht groter is, is de warmte-uitwisseling in dit geval intenser en koelt het warme water sneller af.

Hypothermie

Wanneer water afkoelt tot onder 0 C, bevriest het niet altijd. Onder bepaalde omstandigheden kan het onderkoeling ondergaan en blijft het vloeibaar bij temperaturen onder het vriespunt. In sommige gevallen kan water zelfs bij een temperatuur van –20 C vloeibaar blijven.

De reden voor dit effect is dat er kristalvormingscentra nodig zijn om de eerste ijskristallen te kunnen vormen. Als ze niet aanwezig zijn in vloeibaar water, zal de onderkoeling doorgaan totdat de temperatuur voldoende daalt om spontaan kristallen te vormen. Wanneer ze zich beginnen te vormen in de onderkoelde vloeistof, zullen ze sneller gaan groeien en slush-ijs vormen, dat zal bevriezen en ijs zal vormen.

Heet water is het meest vatbaar voor onderkoeling, omdat bij verhitting opgeloste gassen en bellen worden verwijderd, 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 zal als isolator fungeren tussen het water en de koude lucht en verdere verdamping voorkomen. De snelheid van vorming van ijskristallen zal in dit geval lager zijn. In het geval van heet water dat wordt onderworpen aan onderkoeling, heeft het onderkoelde water geen beschermende oppervlaktelaag van ijs. Daarom verliest het veel sneller warmte via 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, en dus warmteverlies, worden verergerd, terwijl heet water van onderaf begint te bevriezen.

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

In het geval van warm water is de situatie compleet anders. De oppervlaktelaag van water zal sneller afkoelen door verdamping en een groter temperatuurverschil. Bovendien zijn koudwaterlagen dichter dan heetwaterlagen, waardoor de koudwaterlaag naar beneden zal zinken, waardoor de warmwaterlaag naar de oppervlakte komt. Deze watercirculatie zorgt voor een snelle temperatuurdaling.

Maar waarom bereikt dit proces geen evenwichtspunt? 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 gescheiden zijn 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 koude en hete waterlagen worden gescheiden door het proces van convectie.

Gassen opgelost in water

Water bevat altijd opgeloste gassen: zuurstof en koolstofdioxide. Deze gassen hebben het vermogen om het vriespunt van water te verlagen. Bij het verwarmen van water komen deze gassen vrij uit het water, omdat hun oplosbaarheid in water lager is bij hoge temperaturen. Wanneer warm water afkoelt, bevat het 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 bakjes in de vriezer van het koelgedeelte wordt geplaatst. Onder deze omstandigheden is waargenomen dat een bak met heet water het ijs in de vriezer eronder doet smelten, waardoor het thermisch contact met de vriezerwand en de thermische geleidbaarheid worden verbeterd. Hierdoor wordt de warmte uit een warmwaterbak sneller afgevoerd dan uit een koude bak. Een bak met koud water doet op zijn beurt de sneeuw eronder niet smelten.

Al deze (en ook andere) omstandigheden werden in veel experimenten bestudeerd, maar een duidelijk antwoord op de vraag - welke daarvan een honderd procent reproductie van het Mpemba-effect opleveren - werd nooit verkregen.

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

Bovendien waren de resultaten van Auerbach in tegenspraak met eerdere gegevens dat heet water een grotere onderkoeling kon bereiken dankzij minder kristallisatiecentra. Wanneer water wordt verwarmd, worden de daarin opgeloste gassen eruit verwijderd, en wanneer het wordt gekookt, slaan sommige daarin opgeloste zouten neer.

Voorlopig kan er maar één ding worden gezegd: de reproductie van dit effect hangt in grote mate af van de omstandigheden waaronder het experiment wordt uitgevoerd. Juist omdat het niet altijd wordt gereproduceerd.

Veel onderzoekers hebben hun eigen versie naar voren gebracht en presenteren nog steeds waarom warm water sneller bevriest dan koud water. Het lijkt een paradox: om te bevriezen moet warm water immers eerst afkoelen. Het feit blijft echter een feit, en wetenschappers verklaren het op verschillende manieren.

Op dit moment zijn er verschillende versies die dit feit verklaren:

  1. Omdat heet water sneller verdampt, neemt het volume ervan af. En het bevriezen van een kleinere hoeveelheid water bij dezelfde temperatuur gaat sneller.
  2. Het vriesgedeelte van de koelkast is voorzien van een sneeuwlaag. Een bak met heet water doet de sneeuw eronder smelten. Dit verbetert het thermische contact met de vriezer.
  3. Het bevriezen van koud water begint, in tegenstelling tot warm water, bovenaan. Tegelijkertijd verergeren convectie en warmtestraling, en bijgevolg het warmteverlies.
  4. Koud water bevat kristallisatiecentra - daarin opgeloste stoffen. Als hun gehalte aan water klein is, is ijsvorming moeilijk, hoewel tegelijkertijd onderkoeling mogelijk is - wanneer het bij temperaturen onder het vriespunt een vloeibare toestand heeft.

Hoewel we eerlijk gezegd kunnen zeggen dat dit effect niet altijd wordt waargenomen. Heel vaak bevriest koud water sneller dan warm water.

Bij welke temperatuur bevriest water?

Waarom bevriest water überhaupt? Het bevat een bepaalde hoeveelheid minerale of organische deeltjes. Dit kunnen bijvoorbeeld zeer kleine deeltjes zand, stof of klei zijn. Naarmate de luchttemperatuur daalt, zijn deze deeltjes de centra waarrond zich ijskristallen vormen.

De rol van kristallisatiekernen kan ook worden gespeeld door luchtbellen en scheuren in de container met water. De snelheid van het proces waarbij water in ijs verandert, wordt grotendeels beïnvloed door het aantal van dergelijke centra - als er veel zijn, bevriest de vloeistof sneller. Onder normale omstandigheden, bij normale atmosferische druk, verandert water bij een temperatuur van 0 graden in een vaste toestand.

De essentie van het Mpemba-effect

Het Mpemba-effect is een paradox, waarvan de essentie is dat warm water onder bepaalde omstandigheden sneller bevriest dan koud water. Dit fenomeen werd opgemerkt door Aristoteles en Descartes. Het duurde echter tot 1963 voordat de Tanzaniaanse schooljongen Erasto Mpemba vaststelde dat heet ijs in een kortere tijd bevriest dan koud ijs. Deze conclusie trok hij tijdens het voltooien van een kookopdracht.

Hij moest suiker oplossen in gekookte melk en, nadat hij deze had afgekoeld, in de koelkast plaatsen om te bevriezen. Blijkbaar was Mpemba niet bijzonder ijverig en begon hij laat met het voltooien van het eerste deel van de taak. Daarom wachtte hij niet tot de melk was afgekoeld en zette hem heet in de koelkast. Hij was zeer verrast toen het nog sneller vroor dan dat van zijn klasgenoten, die het werk deden in overeenstemming met de gegeven technologie.

Dit feit interesseerde de jongeman erg, en hij begon experimenten met gewoon water. In 1969 publiceerde het tijdschrift Physics Education de resultaten van onderzoek door Mpemba en professor Dennis Osborne van de Universiteit van Dar Es Salaam. Het effect dat zij beschreven kreeg de naam Mpemba. Maar zelfs vandaag de dag is er geen duidelijke verklaring voor het fenomeen. Alle wetenschappers zijn het erover eens dat de belangrijkste rol hierin ligt in de verschillen in de eigenschappen van gekoeld en warm water, maar wat precies is onbekend.

Singapore-versie

Natuurkundigen van een van de universiteiten in Singapore waren ook geïnteresseerd in de vraag welk water sneller bevriest: warm of koud? Een team van onderzoekers onder leiding van Xi Zhang verklaarde deze paradox precies aan de hand van de eigenschappen van water. Iedereen kent de samenstelling van water van school: een zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Zuurstof trekt tot op zekere hoogte elektronen weg van waterstof, dus het molecuul is een bepaald soort ‘magneet’.

Hierdoor worden bepaalde moleculen in water enigszins tot elkaar aangetrokken en verenigd door een waterstofbrug. De sterkte ervan is vele malen lager dan die van een covalente binding. Singaporese onderzoekers geloven dat de verklaring voor de paradox van Mpemba juist in waterstofbruggen ligt. Als watermoleculen heel dicht bij elkaar worden geplaatst, kan zo’n sterke interactie tussen de moleculen de covalente binding in het midden van het molecuul zelf vervormen.

Maar wanneer water wordt verwarmd, bewegen de gebonden moleculen iets van elkaar af. Als gevolg hiervan vindt ontspanning van covalente bindingen plaats in het midden van de moleculen, waarbij overtollige energie vrijkomt en een overgang naar een lager energieniveau plaatsvindt. Dit leidt ertoe dat heet water snel begint af te koelen. Dat is tenminste wat theoretische berekeningen van Singaporese wetenschappers laten zien.

Water onmiddellijk bevriezen - 5 ongelooflijke trucs: video