Varmt vand fryser hurtigere end koldt vand. Varmt og koldt vand: hemmeligheder ved frysning

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Hvilket vand fryser hurtigere, koldt eller varmt?"- prøv at stille dine venner et spørgsmål, højst sandsynligt vil de fleste af dem svare, at det fryser hurtigere koldt vand- og de vil tage fejl.

Faktisk, hvis du samtidig lægger to beholdere af samme form og volumen i fryseren, hvoraf den ene indeholder koldt vand og den anden varm, så fryser den hurtigere varmt vand.

En sådan udtalelse kan virke absurd og urimelig. Hvis du følger logikken, skal varmt vand først køle ned til koldt vands temperatur, og koldt vand burde allerede blive til is på dette tidspunkt.

Så hvorfor slår varmt vand koldt vand på vej til at fryse? Lad os prøve at finde ud af det.

Observations- og forskningshistorie

Folk har observeret den paradoksale effekt siden oldtiden, men ingen gav den særlig betydning. Således bemærkede Arestoteles såvel som Rene Descartes og Francis Bacon i deres noter uoverensstemmelserne i hastigheden for frysning af koldt og varmt vand. Usædvanligt fænomen ofte manifesteret sig i hverdagen.

I lang tid blev fænomenet ikke undersøgt på nogen måde og vakte ikke megen interesse blandt videnskabsmænd.

Undersøgelsen af denne usædvanlige effekt begyndte i 1963, da en nysgerrig skoledreng fra Tanzania, Erasto Mpemba, bemærkede, at varm mælk til is frøs hurtigere end kold mælk. I håb om at få en forklaring på årsagerne til den usædvanlige effekt, spurgte den unge mand sin fysiklærer på skolen. Læreren lo dog kun af ham.

Senere gentog Mpemba forsøget, men i sit forsøg brugte han ikke længere mælk, men vand, og den paradoksale effekt blev gentaget igen.

6 år senere, i 1969, stillede Mpemba dette spørgsmål til fysikprofessor Dennis Osborne, som kom til hans skole. Professoren var interesseret i den unge mands observation, og som et resultat blev der udført et eksperiment, der bekræftede tilstedeværelsen af effekten, men årsagerne til dette fænomen blev ikke etableret.

Siden da er fænomenet blevet kaldt Mpemba effekt.

Gennem de videnskabelige observationers historie er der fremsat mange hypoteser om årsagerne til fænomenet.

Så i 2012 ville British Royal Society of Chemistry annoncere en konkurrence af hypoteser, der forklarer Mpemba-effekten. Forskere fra hele verden deltog i konkurrencen, i alt 22.000 var tilmeldt videnskabelige arbejder. På trods af et så imponerende antal artikler, bragte ingen af dem klarhed over Mpemba-paradokset.

Den mest almindelige version var ifølge hvilken varmt vand fryser hurtigere, da det simpelthen fordamper hurtigere, dets volumen bliver mindre, og når volumenet falder, stiger dets afkølingshastighed. Den mest almindelige version blev til sidst tilbagevist, fordi der blev udført et eksperiment, hvor fordampning var udelukket, men effekten blev alligevel bekræftet.

Andre videnskabsmænd mente, at årsagen til Mpemba-effekten var fordampningen af gasser opløst i vand. Efter deres mening fordamper gasser opløst i vand under opvarmningsprocessen, på grund af hvilket det får en højere densitet end koldt vand. Som det er kendt, fører en stigning i tætheden til en ændring fysiske egenskaber vand (øget termisk ledningsevne), og derfor en stigning i afkølingshastigheden.

Derudover er der fremsat en række hypoteser, der beskriver vandets cirkulationshastighed afhængig af temperatur. Mange undersøgelser har forsøgt at fastslå forholdet mellem materialet i beholderne, hvori væsken var placeret. Mange teorier virkede meget plausible, men de kunne ikke bekræftes videnskabeligt på grund af mangel på indledende data, modsigelser i andre eksperimenter, eller fordi de identificerede faktorer simpelthen ikke var sammenlignelige med vandets afkølingshastighed. Nogle videnskabsmænd satte i deres værker spørgsmålstegn ved eksistensen af effekten.

I 2013 hævdede forskere fra Nanyang Technological University i Singapore at have løst mysteriet om Mpemba-effekten. Ifølge deres forskning ligger årsagen til fænomenet i, at mængden af energi lagret i hydrogenbindinger Der er en væsentlig forskel mellem koldt- og varmtvandsmolekyler.

Computermodelleringsmetoder har vist følgende resultater: Jo højere vandtemperaturen er, jo større er afstanden mellem molekylerne på grund af, at frastødende kræfter øges. Og derfor strækker molekylernes brintbindinger sig og lagrer stor mængde energi. Når de er afkølet, begynder molekylerne at bevæge sig tættere på hinanden og frigive energi fra brintbindinger. I dette tilfælde er frigivelsen af energi ledsaget af et fald i temperaturen.

I oktober 2017 fandt spanske fysikere i løbet af en anden undersøgelse ud af, at en stor rolle i dannelsen af effekten spilles af fjernelse af et stof fra ligevægt (stærk opvarmning før stærk afkøling). De bestemte betingelserne, hvorunder sandsynligheden for, at virkningen opstår, er maksimal. Derudover bekræftede videnskabsmænd fra Spanien eksistensen af den omvendte Mpemba-effekt. De fandt ud af, at når den opvarmes, kan en koldere prøve nå en høj temperatur hurtigere end en varmere.

På trods af omfattende information og adskillige eksperimenter har videnskabsmænd til hensigt at fortsætte med at studere effekten.

Mpemba-effekt i det virkelige liv

Har du nogensinde undret dig over hvorfor vintertid skøjtebanen er ved at blive oversvømmet varmt vand, og ikke koldt? Som du allerede forstår, gør de dette, fordi en skøjtebane fyldt med varmt vand vil fryse hurtigere, end hvis den var fyldt med koldt vand. Af samme grund hældes der varmt vand i rutsjebanerne i vinterisbyer.

Således giver viden om fænomenets eksistens folk mulighed for at spare tid, når de forbereder websteder til vinter arter sport

Derudover bruges Mpemba-effekten nogle gange i industrien til at reducere frysetiden for produkter, stoffer og materialer, der indeholder vand.

Mange forskere har fremsat og fremlægger deres egne versioner af, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand. Det ville virke som et paradoks - trods alt skal varmt vand først køle af for at fryse. Faktum er dog stadig en kendsgerning, og videnskabsmænd forklarer det på forskellige måder.

Store versioner

På dette øjeblik Der er flere versioner, der forklarer dette faktum:

Fordi varmt vand fordamper hurtigere, falder dets volumen. Og frysning af en mindre mængde vand ved samme temperatur sker hurtigere.
Fryseafdelingen i køleskabet har en snowliner. En beholder med varmt vand smelter sneen nedenunder. Dette forbedrer den termiske kontakt med fryseren.
Frysning af koldt vand begynder i modsætning til varmt vand øverst. Samtidig forværres konvektion og varmestråling og dermed varmetab.
Koldt vand indeholder krystallisationscentre - stoffer opløst i det. Hvis deres indhold i vand er lille, er isning vanskeligt, selvom det samtidig er muligt med superafkøling - når det ved minusgrader har en flydende tilstand.

Selvom vi retfærdigt kan sige, at denne effekt ikke altid observeres. Meget ofte fryser koldt vand hurtigere end varmt vand.

Ved hvilken temperatur fryser vand

Hvorfor fryser vand overhovedet? Det indeholder en vis mængde mineralske eller organiske partikler. Dette kan for eksempel være meget fine partikler sand, støv eller ler. Når lufttemperaturen falder, er disse partikler centrene omkring hvilke iskrystaller dannes.

Rollen som krystallisationskerner kan også spilles af luftbobler og revner i beholderen, der indeholder vand. Hastigheden af processen med at omdanne vand til is er i høj grad påvirket af antallet af sådanne centre - hvis der er mange af dem, fryser væsken hurtigere. Under normale forhold, med alm atmosfærisk tryk, vand bliver til en fast tilstand fra en flydende tilstand ved en temperatur på 0 grader.

Essensen af Mpemba-effekten

Mpemba-effekten er et paradoks, hvis essens er, at varmt vand under visse omstændigheder fryser hurtigere end koldt vand. Dette fænomen blev bemærket af Aristoteles og Descartes. Det var dog først i 1963, at den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba fastslog, at varm is tog længere tid at fryse. kort tid end koldt. Han gjorde denne konklusion, mens han afsluttede en madlavningsopgave.

Han måtte opløse sukker i kogt mælk og efter at have afkølet det, stillede det i køleskabet til frysning. Tilsyneladende var Mpemba ikke særlig flittig og begyndte sent at færdiggøre den første del af opgaven. Derfor ventede han ikke på, at mælken kølede af, og satte den i køleskabet varm. Han blev meget overrasket, da det frøs endnu hurtigere end hos hans klassekammerater, som udførte arbejdet i overensstemmelse med den givne teknologi.

Dette faktum interesserede den unge mand meget, og han begyndte at eksperimentere med almindeligt vand. I 1969 offentliggjorde tidsskriftet Physics Education resultaterne af forskning udført af Mpemba og professor Dennis Osborne fra University of Dar Es Salaam. Effekten de beskrev fik navnet Mpemba. Men selv i dag er der ingen klar forklaring på fænomenet. Alle videnskabsmænd er enige om, at hovedrollen i dette hører til forskellene i egenskaberne af afkølet og varmt vand, men hvad der præcist er ukendt.

Singapore version

Fysikere fra et af Singapore-universiteterne var også interesserede i spørgsmålet om, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt? Et team af forskere ledet af Xi Zhang forklarede dette paradoks netop ved vandets egenskaber. Alle kender sammensætningen af vand fra skolen – et iltatom og to brintatomer. Ilt trækker til en vis grad elektroner væk fra brint, så molekylet er en bestemt slags "magnet".

Som et resultat bliver visse molekyler i vand lidt tiltrukket af hinanden og forenes af en brintbinding. Dens styrke er mange gange lavere end en kovalent binding. Singaporeanske forskere mener, at forklaringen på Mpembas paradoks netop ligger i brintbindinger. Hvis vandmolekyler er placeret meget tæt sammen, så kan et så stærkt samspil mellem molekylerne deformere den kovalente binding i midten af selve molekylet.

Men når vand opvarmes, bevæger de bundne molekyler sig lidt væk fra hinanden. Som et resultat sker der afslapning i midten af molekylerne kovalente bindinger med frigivelse af overskydende energi og en overgang til et lavere energiniveau. Dette fører til, at varmt vand begynder at afkøle hurtigt. Det er i hvert fald, hvad teoretiske beregninger udført af singaporeanske videnskabsmænd viser.

Øjeblikkeligt frysende vand - 5 utrolige tricks: Video

Mpemba effekt(Mpembas paradoks) er et paradoks, der siger, at varmt vand under nogle forhold fryser hurtigere end koldt vand, selvom det skal passere koldt vands temperatur under fryseprocessen. Dette paradoks er et eksperimentelt faktum, der modsiger de sædvanlige ideer, ifølge hvilke et mere opvarmet legeme under de samme betingelser tager længere tid at afkøle til en bestemt temperatur end et mindre opvarmet legeme at afkøle til samme temperatur.

Dette fænomen blev bemærket på et tidspunkt af Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963, at den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba opdagede, at en varm isblanding fryser hurtigere end en kold.

At være studerende på Magambinskaya Gymnasium i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk arbejde i madlavning. Han havde brug for at lave hjemmelavet is - kog mælk, opløs sukker i det, afkøl det indtil stuetemperatur og stil derefter i køleskabet til frysning. Tilsyneladende var Mpemba ikke en særlig flittig elev og forsinkede med at gennemføre den første del af opgaven. Da han frygtede, at han ikke ville nå det ved slutningen af lektionen, satte han stadig varm mælk i køleskabet. Til hans overraskelse frøs det endnu tidligere end hans kammeraters mælk, tilberedt i henhold til den givne teknologi.

Herefter eksperimenterede Mpemba ikke kun med mælk, men også med almindeligt vand. I hvert fald spurgte han allerede som elev på Mkwawa Secondary School professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (inviteret af skoledirektøren til at holde et foredrag om fysik for eleverne) specifikt om vand: ”Hvis du tager to identiske beholdere med lige store volumener vand, så i en af dem har vandet en temperatur på 35°C, og i den anden - 100°C, og sæt dem i fryseren, så fryser vandet hurtigere i den anden. Hvorfor?" Osborne blev interesseret i dette spørgsmål, og snart, i 1969, offentliggjorde han og Mpemba resultaterne af deres eksperimenter i tidsskriftet Physics Education. Siden da er den effekt, de opdagede, blevet kaldt Mpemba effekt.

Indtil nu er der ingen, der ved præcis, hvordan man forklarer denne mærkelige effekt. Forskere har ikke en enkelt version, selvom der er mange. Det hele handler om forskellen i egenskaberne for varmt og koldt vand, men det er endnu ikke klart, hvilke egenskaber der spiller en rolle i dette tilfælde: forskellen på underafkøling, fordampning, isdannelse, konvektion eller virkningen af flydende gasser på vand kl. forskellige temperaturer.

Det paradoksale ved Mpemba-effekten er, at den tid, hvor kroppen køler ned til temperatur miljø, skal være proportional med temperaturforskellen mellem denne krop og miljøet. Denne lov blev etableret af Newton og er siden blevet bekræftet mange gange i praksis. I denne effekt afkøles vand med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C hurtigere end den samme mængde vand med en temperatur på 35°C.

Dette indebærer dog endnu ikke et paradoks, da Mpemba-effekten kan forklares inden for rammerne af kendt fysik. Her er nogle forklaringer på Mpemba-effekten:

Fordampning

Varmt vand fordamper hurtigere fra beholderen, hvorved dets volumen reduceres, og en mindre mængde vand ved samme temperatur fryser hurtigere. Vand opvarmet til 100 C mister 16 % af sin masse, når det afkøles til 0 C.

Fordampningseffekten er en dobbelt effekt. For det første falder mængden af vand, der kræves til afkøling. Og for det andet falder temperaturen på grund af det faktum, at fordampningsvarmen ved overgangen fra vandfasen til dampfasen falder.

Temperaturforskel

På grund af det faktum, at temperaturforskellen mellem varmt vand og kold luft er større, er varmevekslingen i dette tilfælde mere intens, og det varme vand afkøles hurtigere.

Hypotermi

Når vandet afkøles under 0 C, fryser det ikke altid. Under nogle forhold kan det undergå superafkøling og fortsætte med at forblive flydende ved temperaturer under frysepunktet. I nogle tilfælde kan vand forblive flydende selv ved en temperatur på –20 C.

Årsagen til denne effekt er, at for at de første iskrystaller kan begynde at dannes, er der brug for krystaldannelsescentre. Hvis de ikke er til stede i flydende vand, vil superafkølingen fortsætte, indtil temperaturen falder nok til, at krystaller kan dannes spontant. Når de begynder at dannes i den superafkølede væske, vil de begynde at vokse hurtigere og danne slush ice, som vil fryse til is.

Varmt vand er mest modtageligt for hypotermi, fordi opvarmning af det fjerner opløste gasser og bobler, som igen kan tjene som centre for dannelsen af iskrystaller.

Hvorfor får hypotermi varmt vand til at fryse hurtigere? Ved koldt vand, der ikke er superafkølet, sker følgende. I dette tilfælde vil der dannes et tyndt lag is på overfladen af fartøjet. Dette islag vil fungere som en isolator mellem vandet og den kolde luft og vil forhindre yderligere fordampning. Hastigheden for dannelse af iskrystaller i dette tilfælde vil være lavere. I tilfælde af varmt vand, der udsættes for underafkøling, har det underafkølede vand ikke et beskyttende overfladelag af is. Derfor taber den meget hurtigere varme gennem den åbne top.

Når superafkølingsprocessen slutter, og vandet fryser, går der meget mere varme tab, og der dannes derfor mere is.

Mange forskere af denne effekt anser hypotermi for at være hovedfaktoren i tilfælde af Mpemba-effekten.

Konvektion

Koldt vand begynder at fryse oppefra og forværrer derved processerne med varmestråling og konvektion og dermed varmetab, mens varmt vand begynder at fryse nedefra.

Denne effekt forklares af en anomali i vandtætheden. Vand har en maksimal massefylde ved 4 C. Hvis du afkøler vand til 4 C og sætter det ved en lavere temperatur, fryser overfladelaget af vand hurtigere. Fordi dette vand er mindre tæt end vand ved en temperatur på 4 C, vil det forblive på overfladen og danne et tyndt koldt lag. Under disse forhold vil der inden for kort tid dannes et tyndt lag is på overfladen af vandet, men dette islag vil tjene som en isolator, der beskytter de nederste lag af vand, som forbliver ved en temperatur på 4 C. Derfor videre proces afkøling vil ske langsommere.

Ved varmt vand er situationen en helt anden. Overfladelaget af vand afkøles hurtigere på grund af fordampning og større forskel temperaturer Derudover er koldtvandslag tættere end varmtvandslag, så koldtvandslaget vil synke ned og hæve laget varmt vand til overfladen. Denne cirkulation af vand sikrer et hurtigt fald i temperaturen.

Men hvorfor når denne proces ikke et ligevægtspunkt? For at forklare Mpemba-effekten ud fra dette konvektionssynspunkt ville det være nødvendigt at antage, at de kolde og varme lag af vand adskilles, og selve konvektionsprocessen fortsætter efter gennemsnitstemperatur vandet falder til under 4 C.

Der er dog ingen eksperimentelle beviser, der understøtter denne hypotese om, at kolde og varme lag af vand adskilles ved konvektionsprocessen.

Gasser opløst i vand

Vand indeholder altid gasser opløst i det - ilt og carbondioxid. Disse gasser har evnen til at reducere vandets frysepunkt. Når vand opvarmes, frigives disse gasser fra vandet, fordi deres opløselighed i vand er lavere ved høje temperaturer. Når varmt vand afkøles, indeholder det derfor altid færre opløste gasser end i uopvarmet koldt vand. Derfor er frysepunktet for opvarmet vand højere, og det fryser hurtigere. Denne faktor betragtes nogle gange som den vigtigste til at forklare Mpemba-effekten, selvom der ikke er nogen eksperimentelle data, der bekræfter dette faktum.

Varmeledningsevne

Denne mekanisme kan spille en væsentlig rolle, når vandet placeres i køleafdelingens fryser i små beholdere. Under disse forhold blev det bemærket, at en beholder med varmt vand smelter is under den fryser, hvorved den termiske kontakt med fryserens væg og den termiske ledningsevne forbedres. Som følge heraf fjernes varme fra en varmtvandsbeholder hurtigere end fra en kold. Til gengæld smelter en beholder med koldt vand ikke sneen nedenunder.

Alle disse (såvel som andre) tilstande blev undersøgt i mange eksperimenter, men et klart svar på spørgsmålet - hvilken af dem giver en hundrede procent reproduktion af Mpemba-effekten - blev aldrig opnået.

For eksempel undersøgte den tyske fysiker David Auerbach i 1995 effekten af superkølende vand på denne effekt. Han opdagede, at varmt vand, der når en underafkølet tilstand, fryser ved en højere temperatur end koldt vand og derfor hurtigere end sidstnævnte. Men koldt vand når en superafkølet tilstand hurtigere end varmt vand, og kompenserer derved for den tidligere forsinkelse.

Derudover modsagde Auerbachs resultater tidligere data om, at varmt vand var i stand til at opnå større underkøling på grund af færre krystallisationscentre. Når vand opvarmes, fjernes gasser, der er opløst i det, og når det koges, udfældes nogle salte, der er opløst i det.

Indtil videre kan kun én ting siges - reproduktionen af denne effekt afhænger væsentligt af betingelserne, hvorunder eksperimentet udføres. Netop fordi det ikke altid gengives.

Der er mange faktorer, der har indflydelse på, hvilket vand der fryser hurtigere, varmt eller koldt, men selve spørgsmålet virker lidt mærkeligt. Implikationen, og det er kendt fra fysikken, er, at varmt vand stadig skal have tid til at køle af til temperaturen på det kolde vand, der sammenlignes, for at blive til is. Koldt vand kan springe denne fase over, og følgelig vinder det tid.

Men svaret på spørgsmålet om, hvilket vand fryser hurtigere - koldt eller varmt - udenfor i kulden, ved enhver beboer nordlige breddegrader. Rent videnskabeligt viser det sig, at under alle omstændigheder er koldt vand simpelthen bundet til at fryse hurtigere.

Fysiklæreren, som blev opsøgt af skoleeleven Erasto Mpemba i 1963, mente det samme med en anmodning om at forklare, hvorfor den kolde blanding af fremtidig is tager længere tid at fryse end en lignende, men varm.

"Dette er ikke universel fysik, men en slags Mpemba-fysik"

På det tidspunkt lo læreren kun af dette, men Deniss Osborne, en professor i fysik, som på et tidspunkt besøgte den samme skole, hvor Erasto studerede, bekræftede eksperimentelt tilstedeværelsen af en sådan effekt, selvom der ikke var nogen forklaring på det dengang. I 1969 blev en fælles artikel af disse to personer publiceret i et populærvidenskabeligt tidsskrift, som beskrev denne ejendommelige effekt.

Siden da har spørgsmålet om, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt - i øvrigt sit eget navn - Mpemba-effekten eller paradokset.

Spørgsmålet har eksisteret i lang tid

Naturligvis fandt et sådant fænomen sted før, og det blev nævnt i andre videnskabsmænds værker. Ikke kun skolebarnet var interesseret i dette spørgsmål, men også Rene Descartes og endda Aristoteles tænkte på det på et eller andet tidspunkt.

Men de begyndte først at lede efter tilgange til at løse dette paradoks i slutningen af det tyvende århundrede.

Betingelser for at et paradoks kan opstå

Som med is, er det ikke kun almindeligt vand, der fryser under forsøget. Visse forhold skal være til stede for at begynde at skændes, hvilket vand der fryser hurtigere - koldt eller varmt. Hvad påvirker forløbet af denne proces?

Nu, i det 21. århundrede, er der fremsat flere muligheder, der kan forklare dette paradoks. Hvilket vand der fryser hurtigere, varmt eller koldt, kan afhænge af, at det har en højere fordampningshastighed end koldt vand. Dens volumen falder således, og efterhånden som volumen falder, bliver frysetiden kortere, end hvis vi tager den samme begyndelsesvolumen koldt vand.

Det er et stykke tid siden, du tøede fryseren op.

Hvilket vand der fryser hurtigere, og hvorfor det sker, kan være påvirket af snebeklædningen, der kan være til stede i fryseren i det køleskab, der blev brugt til forsøget. Hvis du tager to beholdere, der er identiske i volumen, men den ene af dem indeholder varmt vand og den anden kold, vil beholderen med varmt vand smelte sneen nedenunder og derved forbedre kontakten mellem det termiske niveau og væggen i køleskabet. En beholder med koldt vand kan ikke gøre dette. Hvis der ikke er en sådan snebeklædning i køleskabet, skal koldt vand fryse hurtigere.

Top bund

Fænomenet, hvor vand fryser hurtigere - varmt eller koldt - forklares også som følger. Efter visse love begynder koldt vand at fryse kl øverste lag, når den er varm, gør den det modsatte - den begynder at fryse nedefra og op. Det viser sig, at koldt vand, der har et koldt lag på toppen med is, der allerede er dannet på steder, dermed forværrer processerne med konvektion og termisk stråling og forklarer derved, hvilket vand der fryser hurtigere - koldt eller varmt. Billeder fra amatøreksperimenter er vedhæftet, og det er tydeligt synligt her.

Varmen går ud, suser opad, og der møder den et meget køligt lag. Der er ingen fri vej for varmestråling, så afkølingsprocessen bliver vanskelig. Varmt vand har absolut ingen sådanne forhindringer på sin vej. Hvilket fryser hurtigere - koldt eller varmt, hvad bestemmer det sandsynlige resultat, du kan udvide svaret ved at sige, at ethvert vand har visse stoffer opløst i det.

Urenheder i vand som en faktor, der påvirker resultatet

Hvis man ikke snyder og bruger vand med samme sammensætning, hvor koncentrationerne af visse stoffer er identiske, så burde koldt vand fryse hurtigere. Men hvis der opstår en situation, hvor opløste kemiske elementer kun er til stede i varmt vand, og koldt vand ikke har dem, så har det varme vand mulighed for at fryse tidligere. Dette forklares ved, at opløste stoffer i vand skaber krystallisationscentre, og med et lille antal af disse centre, omdannelsen af vand til fast tilstand svært. Det er endda muligt, at vandet vil være underafkølet, i den forstand, at det ved minusgrader vil være i flydende tilstand.

Men alle disse versioner passede tilsyneladende ikke helt til forskerne, og de fortsatte med at arbejde på dette spørgsmål. I 2013 sagde et team af forskere i Singapore, at de havde løst et ældgammelt mysterium.

En gruppe kinesiske videnskabsmænd hævder, at hemmeligheden bag denne effekt ligger i mængden af energi, der er lagret mellem vandmolekyler i dets bindinger, kaldet brintbindinger.

Svaret fra kinesiske videnskabsmænd

Det følgende er information, for at forstå hvilke du skal have noget kendskab til kemi for at forstå, hvilket vand der fryser hurtigere - varmt eller koldt. Som det er kendt, består det af to H (brint) atomer og et O (ilt) atom, holdt sammen af kovalente bindinger.

Men også brintatomerne i et molekyle tiltrækkes af nabomolekyler, til deres iltkomponent. Disse bindinger kaldes hydrogenbindinger.

Det er værd at huske på, at på samme tid har vandmolekyler en frastødende effekt på hinanden. Forskere bemærkede, at når vand opvarmes, øges afstanden mellem dets molekyler, og dette lettes af frastødende kræfter. Det viser sig, at ved at indtage samme afstand mellem molekylerne i kold tilstand, kan de siges at strække sig, og de har en større energiforsyning. Det er denne energireserve, der frigives, når vandmolekyler begynder at bevæge sig tættere på hinanden, det vil sige, at der sker afkøling. Det viser sig, at en større reserve af energi i varmt vand, og dens større frigivelse ved afkøling til minusgrader, sker hurtigere end i koldt vand, som har en mindre reserve af sådan energi. Så hvilket vand fryser hurtigere - koldt eller varmt? På gaden og i laboratoriet skulle Mpembas paradoks opstå, og varmt vand skulle hurtigere blive til is.

Men spørgsmålet er stadig åbent

Der er kun teoretisk bekræftelse af denne løsning - det hele er skrevet smukke formler og det virker plausibelt. Men når de eksperimentelle data, som vand fryser hurtigere - varmt eller koldt - tages i brug, og deres resultater præsenteres, så kan spørgsmålet om Mpembas paradoks betragtes som lukket.

British Royal Society of Chemistry tilbyder en belønning på £1.000 til enhver, der videnskabeligt kan forklare, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand i nogle tilfælde.

"Moderne videnskab kan stadig ikke besvare dette tilsyneladende simple spørgsmål. Ismagere og bartendere bruger denne effekt i deres daglige arbejde, men ingen ved rigtigt, hvorfor det virker. Dette problem har været kendt i årtusinder, hvor filosoffer som Aristoteles og Descartes har tænkt over det,” sagde professor David Phillips, præsident for British Royal Society of Chemistry, som citeret i en pressemeddelelse fra Society.

Hvordan en kok fra Afrika besejrede en britisk fysikprofessor

Dette er ikke en aprilsnar, men en barsk fysisk virkelighed. Moderne videnskab, som let opererer med galakser og sorte huller og bygger gigantiske acceleratorer til at søge efter kvarker og bosoner, kan ikke forklare, hvordan elementært vand "virker". Skolebogen siger tydeligt, at det tager længere tid at afkøle en varmere krop end at afkøle en kold krop. Men for vand overholdes denne lov ikke altid. Aristoteles gjorde opmærksom på dette paradoks i det 4. århundrede f.Kr. e. Her er, hvad den gamle græker skrev i sin bog Meteorologica I: "Det faktum, at vand er forvarmet, får det til at fryse. Derfor sætter mange mennesker, når de vil køle varmt vand hurtigere, først det i solen...” I middelalderen forsøgte Francis Bacon og Rene Descartes at forklare dette fænomen. Ak, hverken de store filosoffer eller de talrige videnskabsmænd, der udviklede klassisk termofysik, lykkedes med dette, og derfor blev sådan en ubelejlig kendsgerning "glemt" i lang tid.

Og først i 1968 "huskede" de takket være skoledrengen Erasto Mpembe fra Tanzania, langt fra nogen videnskab. Mens han studerede på en kulinarisk kunstskole i 1963, fik 13-årige Mpembe til opgave at lave is. Ifølge teknologien var det nødvendigt at koge mælk, opløse sukker i det, afkøle det til stuetemperatur og derefter sætte det i køleskabet for at fryse. Tilsyneladende var Mpemba ikke en flittig studerende og tøvede. Da han frygtede, at han ikke ville nå det ved slutningen af lektionen, satte han stadig varm mælk i køleskabet. Til hans overraskelse frøs den endnu tidligere end hans kammeraters mælk, tilberedt efter alle reglerne.

Da Mpemba delte sin opdagelse med sin fysiklærer, grinede han af ham foran hele klassen. Mpemba huskede fornærmelsen. Fem år senere, som allerede var studerende på universitetet i Dar es Salaam, deltog han i et foredrag af den berømte fysiker Denis G. Osborne. Efter foredraget stillede han videnskabsmanden et spørgsmål: "Hvis du tager to identiske beholdere med lige store mængder vand, den ene ved 35 °C (95 °F) og den anden ved 100 °C (212 °F), og placerer dem i fryseren, så fryser Vand i en varm beholder hurtigere. Hvorfor?" Du kan forestille dig en britisk professors reaktion på et spørgsmål fra en ung mand fra gudsforladte Tanzania. Han gjorde grin med eleven. Men Mpemba var klar til et sådant svar og udfordrede videnskabsmanden til et væddemål. Deres strid endte med en eksperimentel test, der bekræftede, at Mpemba havde ret, og Osborne besejrede. Således skrev kokkelærlingen sit navn i videnskabens historie, og fra nu af kaldes dette fænomen "Mpemba-effekten." Det er umuligt at kassere det, at erklære det som "ikke-eksisterende". Fænomenet eksisterer, og som digteren skrev, "det gør ikke ondt."

Er støvpartikler og opløste stoffer skylden?

I årenes løb har mange forsøgt at opklare mysteriet med iskaldt vand. En hel bunke forklaringer på dette fænomen er blevet foreslået: fordampning, konvektion, påvirkning af opløste stoffer - men ingen af disse faktorer kan betragtes som definitive. En række videnskabsmænd har viet hele deres liv til Mpemba-effekten. Medarbejder i Institut for Strålingssikkerhed State University New York - James Brownridge - ind fritid har studeret paradokset i over et årti nu. Efter at have udført hundredvis af eksperimenter hævder videnskabsmanden at have beviser for "skylden" ved hypotermi. Brownridge forklarer, at ved 0°C bliver vandet først superafkølet og begynder at fryse, når temperaturen falder til under. Frysepunktet reguleres af urenheder i vandet - de ændrer hastigheden af dannelsen af iskrystaller. Urenheder, såsom støvpartikler, bakterier og opløste salte, har en karakteristisk kernedannelsestemperatur, når iskrystaller dannes omkring krystallisationscentre. Når der er flere grundstoffer i vand på én gang, bestemmes frysepunktet af det, der har mest høj temperatur kernedannelse.

Til eksperimentet tog Brownridge to vandprøver af samme temperatur og placerede dem i fryseren. Han opdagede, at det ene af prøverne altid frøs før det andet, formentlig på grund af en anden kombination af urenheder.

Brownridge siger, at varmt vand afkøles hurtigere, fordi der er en større forskel mellem temperaturen på vandet og fryseren - dette hjælper det med at nå sit frysepunkt, før koldt vand når sit naturlige frysepunkt, som er mindst 5°C lavere.

Brownridges begrundelse rejser dog mange spørgsmål. Derfor har de, der kan forklare Mpemba-effekten på deres egen måde, en chance for at konkurrere om tusind pund sterling fra British Royal Society of Chemistry.