L’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda. Acqua calda e fredda: i segreti del congelamento

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandr Firstsev

« Quale acqua si congela più velocemente, fredda o calda?"- prova a fare una domanda ai tuoi amici, molto probabilmente la maggior parte di loro risponderà che si blocca più velocemente acqua fredda- e commetteranno un errore.

Infatti, se metti contemporaneamente nel congelatore due recipienti della stessa forma e volume, uno dei quali contiene acqua fredda e l'altro caldo, allora si congelerà più velocemente acqua calda.

Una simile affermazione può sembrare assurda e irragionevole. Se segui la logica, l'acqua calda deve prima raffreddarsi alla temperatura dell'acqua fredda e in questo momento l'acqua fredda dovrebbe già trasformarsi in ghiaccio.

Allora perché l’acqua calda batte l’acqua fredda nel suo cammino verso il congelamento? Proviamo a capirlo.

Storia delle osservazioni e delle ricerche

Le persone hanno osservato l'effetto paradossale fin dai tempi antichi, ma nessuno lo ha dato significato speciale. Pertanto, Arestotele, così come René Descartes e Francis Bacon, notarono nelle loro note le incongruenze nel tasso di congelamento dell'acqua fredda e calda. Fenomeno insolito spesso si manifestava nella vita di tutti i giorni.

Per molto tempo il fenomeno non è stato studiato in alcun modo e non ha suscitato molto interesse tra gli scienziati.

Lo studio di questo effetto insolito iniziò nel 1963, quando uno scolaro curioso della Tanzania, Erasto Mpemba, notò che il latte caldo per il gelato si congelava più velocemente del latte freddo. Sperando di ottenere una spiegazione sulle ragioni dell'effetto insolito, il giovane si rivolse al suo insegnante di fisica a scuola. Tuttavia, l'insegnante si limitò a ridere di lui.

Successivamente Mpemba ripeté l'esperimento, ma nel suo esperimento non usò più il latte, ma l'acqua, e l'effetto paradossale si ripeté ancora.

6 anni dopo, nel 1969, Mpemba pose questa domanda al professore di fisica Dennis Osborn, che venne nella sua scuola. Il professore era interessato all'osservazione del giovane e, di conseguenza, è stato condotto un esperimento che ha confermato la presenza dell'effetto, ma le ragioni di questo fenomeno non sono state stabilite.

Da allora il fenomeno è stato chiamato Effetto Mpemba.

Nel corso della storia delle osservazioni scientifiche sono state avanzate numerose ipotesi sulle cause del fenomeno.

Così nel 2012, la Royal Society of Chemistry britannica annunciò un concorso di ipotesi per spiegare l’effetto Mpemba. Al concorso hanno partecipato scienziati da tutto il mondo e ne sono stati registrati 22.000 in totale lavori scientifici. Nonostante un numero così impressionante di articoli, nessuno di essi ha fatto chiarezza sul paradosso Mpemba.

La versione più comune era secondo la quale l'acqua calda si congela più velocemente, poiché evapora semplicemente più velocemente, il suo volume diventa più piccolo e, man mano che il volume diminuisce, la sua velocità di raffreddamento aumenta. La versione più comune venne poi smentita perché fu condotto un esperimento in cui era esclusa l'evaporazione, ma l'effetto fu comunque confermato.

Altri scienziati ritenevano che la causa dell'effetto Mpemba fosse l'evaporazione dei gas disciolti nell'acqua. Secondo loro, durante il processo di riscaldamento, i gas disciolti nell'acqua evaporano, grazie alla quale acquisisce una densità maggiore rispetto all'acqua fredda. Come è noto, un aumento della densità porta ad un cambiamento Proprietà fisiche acqua (aumento della conduttività termica), e quindi un aumento della velocità di raffreddamento.

Inoltre, sono state avanzate numerose ipotesi che descrivono la velocità di circolazione dell'acqua in funzione della temperatura. Molti studi hanno tentato di stabilire la relazione tra il materiale dei contenitori in cui si trovava il liquido. Molte teorie sembravano molto plausibili, ma non hanno potuto essere confermate scientificamente a causa della mancanza di dati iniziali, di contraddizioni in altri esperimenti o perché i fattori identificati semplicemente non erano paragonabili alla velocità di raffreddamento dell’acqua. Alcuni scienziati nei loro lavori hanno messo in dubbio l'esistenza dell'effetto.

Nel 2013, i ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore hanno affermato di aver risolto il mistero dell’effetto Mpemba. Secondo la loro ricerca, la ragione del fenomeno risiede nel fatto che la quantità di energia immagazzinata legami di idrogeno Esiste una differenza significativa tra le molecole di acqua fredda e calda.

I metodi di modellazione computerizzata hanno mostrato i seguenti risultati: maggiore è la temperatura dell'acqua, maggiore è la distanza tra le molecole a causa del fatto che aumentano le forze repulsive. E quindi i legami idrogeno delle molecole si allungano, immagazzinando grande quantità energia. Una volta raffreddate, le molecole iniziano ad avvicinarsi l'una all'altra, liberando energia dai legami idrogeno. In questo caso, il rilascio di energia è accompagnato da una diminuzione della temperatura.

Nell’ottobre 2017, i fisici spagnoli, nel corso di un altro studio, hanno scoperto che un ruolo importante nella formazione dell’effetto è giocato dalla rimozione di una sostanza dall’equilibrio (forte riscaldamento prima di un forte raffreddamento). Hanno determinato le condizioni in cui la probabilità che si verifichi l'effetto è massima. Inoltre, scienziati spagnoli hanno confermato l’esistenza dell’effetto Mpemba inverso. Hanno scoperto che, quando riscaldato, un campione più freddo può raggiungere una temperatura elevata più velocemente di uno più caldo.

Nonostante le informazioni complete e i numerosi esperimenti, gli scienziati intendono continuare a studiare l'effetto.

Effetto Mpemba nella vita reale

Ti sei mai chiesto perché orario invernale la pista di pattinaggio è allagata acqua calda, e non freddo? Come già capisci, lo fanno perché una pista di pattinaggio piena di acqua calda si congela più velocemente che se fosse piena di acqua fredda. Per lo stesso motivo, nelle città ghiacciate invernali, l'acqua calda viene versata negli scivoli.

Pertanto, la conoscenza dell'esistenza del fenomeno consente alle persone di risparmiare tempo nella preparazione dei siti specie invernali gli sport.

Inoltre, l'effetto Mpemba viene talvolta utilizzato nell'industria per ridurre il tempo di congelamento di prodotti, sostanze e materiali contenenti acqua.

Molti ricercatori hanno proposto e stanno proponendo le proprie versioni sul motivo per cui l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Sembrerebbe un paradosso: per congelare, l'acqua calda deve prima raffreddarsi. Tuttavia, il fatto rimane un dato di fatto e gli scienziati lo spiegano in modi diversi.

Versioni principali

SU questo momento Esistono diverse versioni che spiegano questo fatto:

1. Poiché l’acqua calda evapora più velocemente, il suo volume diminuisce. E il congelamento di una quantità minore di acqua alla stessa temperatura avviene più velocemente.
2. Lo scomparto congelatore del frigorifero è dotato di un rivestimento anti-neve. Un contenitore contenente acqua calda scioglie la neve sottostante. Ciò migliora il contatto termico con il congelatore.
3. Il congelamento dell'acqua fredda, a differenza dell'acqua calda, inizia dall'alto. Allo stesso tempo, la convezione e l'irraggiamento del calore e, di conseguenza, la perdita di calore peggiorano.
4. L'acqua fredda contiene centri di cristallizzazione, sostanze disciolte in essa. Se il loro contenuto in acqua è piccolo, la glassa è difficile, sebbene allo stesso tempo sia possibile il superraffreddamento, quando a temperature inferiori allo zero ha uno stato liquido.

Anche se in tutta onestà possiamo dire che questo effetto non è sempre osservato. Molto spesso l’acqua fredda congela più velocemente dell’acqua calda.

A quale temperatura si congela l'acqua

Perché l'acqua si congela? Contiene una certa quantità di particelle minerali o organiche. Questo, ad esempio, può essere molto particelle fini sabbia, polvere o argilla. Quando la temperatura dell'aria diminuisce, queste particelle diventano i centri attorno ai quali si formano i cristalli di ghiaccio.

Il ruolo dei nuclei di cristallizzazione può essere svolto anche da bolle d'aria e crepe nel contenitore contenente acqua. La velocità del processo di trasformazione dell'acqua in ghiaccio è in gran parte influenzata dal numero di tali centri: se ce ne sono molti, il liquido si congela più velocemente. In condizioni normali, con normale pressione atmosferica, l'acqua passa allo stato solido da liquido a una temperatura di 0 gradi.

L'essenza dell'effetto Mpemba

L'effetto Mpemba è un paradosso, la cui essenza è che in determinate circostanze l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Questo fenomeno fu notato da Aristotele e Cartesio. Tuttavia, fu solo nel 1963 che lo scolaro tanzaniano Erasto Mpemba stabilì che il gelato caldo impiegava più tempo a congelarsi. poco tempo che freddo. Ha fatto questa conclusione mentre completava un compito di cucina.

Doveva sciogliere lo zucchero nel latte bollito e, dopo averlo raffreddato, metterlo in frigorifero a congelare. Apparentemente Mpemba non era particolarmente diligente e iniziò tardi a completare la prima parte del compito. Pertanto, non aspettò che il latte si raffreddasse e lo mise caldo nel frigorifero. È rimasto molto sorpreso quando si è congelato ancora più velocemente di quello dei suoi compagni di classe, che stavano svolgendo il lavoro secondo la tecnologia fornita.

Questo fatto interessò moltissimo il giovane e iniziò gli esperimenti con l'acqua naturale. Nel 1969, la rivista Physics Education pubblicò i risultati della ricerca di Mpemba e del professor Dennis Osborne dell'Università di Dar Es Salaam. All'effetto che descrissero fu dato il nome Mpemba. Tuttavia, ancora oggi non esiste una spiegazione chiara del fenomeno. Tutti gli scienziati concordano sul fatto che il ruolo principale in questo appartiene alle differenze nelle proprietà dell'acqua refrigerata e calda, ma cosa non è noto esattamente.

Versione di Singapore

Anche i fisici di una delle università di Singapore erano interessati alla domanda su quale acqua si congela più velocemente: calda o fredda? Un team di ricercatori guidati da Xi Zhang ha spiegato questo paradosso proprio con le proprietà dell'acqua. Tutti conoscono la composizione dell'acqua da scuola: un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. L'ossigeno in una certa misura allontana gli elettroni dall'idrogeno, quindi la molecola è un certo tipo di "magnete".

Di conseguenza, alcune molecole nell'acqua sono leggermente attratte l'una dall'altra e sono unite da un legame idrogeno. La sua forza è molte volte inferiore a quella di un legame covalente. I ricercatori di Singapore ritengono che la spiegazione del paradosso di Mpemba risieda proprio nei legami idrogeno. Se le molecole d'acqua sono poste molto strettamente insieme, un'interazione così forte tra le molecole può deformare il legame covalente al centro della molecola stessa.

Ma quando l’acqua viene riscaldata, le molecole legate si allontanano leggermente l’una dall’altra. Di conseguenza, il rilassamento avviene nel mezzo delle molecole legami covalenti con il rilascio dell'energia in eccesso e la transizione ad un livello energetico inferiore. Ciò porta al fatto che l'acqua calda inizia a raffreddarsi rapidamente. Almeno questo è ciò che mostrano i calcoli teorici effettuati dagli scienziati di Singapore.

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Effetto Mpemba(Paradosso di Mpemba) è un paradosso che afferma che l'acqua calda in alcune condizioni congela più velocemente dell'acqua fredda, sebbene debba superare la temperatura dell'acqua fredda durante il processo di congelamento. Questo paradosso è un fatto sperimentale che contraddice le idee usuali, secondo le quali, nelle stesse condizioni, un corpo più riscaldato impiega più tempo per raffreddarsi ad una certa temperatura rispetto a un corpo meno riscaldato per raffreddarsi alla stessa temperatura.

Questo fenomeno fu notato un tempo da Aristotele, Francis Bacon e Rene Descartes, ma fu solo nel 1963 che lo scolaro tanzaniano Erasto Mpemba scoprì che una miscela di gelato calda si congela più velocemente di quella fredda.

Essere uno studente di Magambinskaya Scuola superiore in Tanzania lo ha fatto Erasto Mpemba lavoro pratico nella cucina. Aveva bisogno di fare il gelato fatto in casa: far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo fino a quando temperatura ambiente e poi riporre in frigorifero a congelare. Apparentemente Mpemba non era uno studente particolarmente diligente e ha ritardato il completamento della prima parte del compito. Temendo di non farcela alla fine della lezione, mise nel frigorifero il latte ancora caldo. Con sua sorpresa, si congelò anche prima del latte dei suoi compagni, preparato secondo la tecnologia data.

Successivamente Mpemba ha sperimentato non solo il latte, ma anche il latte acqua naturale. In ogni caso, già da studente alla Mkwava Secondary School, chiese proprio a proposito dell’acqua al professor Dennis Osborne dell’University College di Dar Es Salaam (invitato dal direttore della scuola a tenere una lezione di fisica agli studenti): “Se prendete due contenitori identici con volumi uguali acqua in modo che in uno l'acqua abbia una temperatura di 35°C, e nell'altro - 100°C, e mettili nel congelatore, poi nel secondo l'acqua si congelerà più velocemente. Perché?" Osborne si interessò a questa domanda e presto, nel 1969, lui e Mpemba pubblicarono i risultati dei loro esperimenti sulla rivista Physics Education. Da allora, l'effetto da loro scoperto è stato chiamato Effetto Mpemba.

Fino ad ora nessuno sa esattamente come spiegare questo strano effetto. Gli scienziati non hanno un’unica versione, anche se ce ne sono molte. Riguarda la differenza nelle proprietà dell'acqua calda e fredda, ma non è ancora chiaro quali proprietà giochino un ruolo in questo caso: la differenza nel sottoraffreddamento, nell'evaporazione, nella formazione di ghiaccio, nella convezione o nell'effetto dei gas liquefatti sull'acqua a temperature diverse.

Il paradosso dell'effetto Mpemba è il tempo durante il quale il corpo si raffredda fino alla temperatura ambiente, deve essere proporzionale alla differenza di temperatura tra questo corpo e l'ambiente. Questa legge fu stabilita da Newton e da allora è stata confermata molte volte nella pratica. In questo effetto, l'acqua con una temperatura di 100°C si raffredda fino a una temperatura di 0°C più velocemente della stessa quantità di acqua con una temperatura di 35°C.

Tuttavia ciò non implica ancora un paradosso, poiché l’effetto Mpemba può essere spiegato nell’ambito della fisica conosciuta. Ecco alcune spiegazioni per l’effetto Mpemba:

Evaporazione

L'acqua calda evapora più velocemente dal contenitore, riducendone così il volume, e un volume minore di acqua alla stessa temperatura si congela più velocemente. L'acqua riscaldata a 100 C perde il 16% della sua massa quando viene raffreddata a 0 C.

L'effetto dell'evaporazione è un doppio effetto. Innanzitutto diminuisce la massa d'acqua necessaria per il raffreddamento. E in secondo luogo, la temperatura diminuisce a causa del fatto che diminuisce il calore di evaporazione della transizione dalla fase acquosa a quella vapore.

Differenza di temperatura

Poiché la differenza di temperatura tra l'acqua calda e l'aria fredda è maggiore, lo scambio di calore in questo caso è più intenso e l'acqua calda si raffredda più velocemente.

Ipotermia

Quando l'acqua si raffredda sotto 0 C, non sempre congela. In alcune condizioni può subire un sottoraffreddamento, continuando a rimanere liquido a temperature inferiori allo zero. In alcuni casi l’acqua può rimanere liquida anche ad una temperatura di –20 C.

La ragione di questo effetto è che affinché i primi cristalli di ghiaccio inizino a formarsi, sono necessari centri di formazione dei cristalli. Se non sono presenti nell'acqua liquida, il sottoraffreddamento continuerà finché la temperatura non scenderà abbastanza da consentire la formazione spontanea di cristalli. Quando inizieranno a formarsi nel liquido superraffreddato, inizieranno a crescere più velocemente, formando una granita di ghiaccio, che si congelerà per formare ghiaccio.

L’acqua calda è più suscettibile all’ipotermia perché il riscaldamento rimuove i gas disciolti e le bolle, che a loro volta possono fungere da centri per la formazione di cristalli di ghiaccio.

Perché l'ipotermia fa congelare l'acqua calda più velocemente? Nel caso di acqua fredda non sottoraffreddata si verifica quanto segue. In questo caso si formerà un sottile strato di ghiaccio sulla superficie della nave. Questo strato di ghiaccio fungerà da isolante tra l'acqua e l'aria fredda e impedirà un'ulteriore evaporazione. Il tasso di formazione dei cristalli di ghiaccio in questo caso sarà inferiore. Nel caso di acqua calda sottoposta a sottoraffreddamento, l'acqua sottoraffreddata non presenta uno strato protettivo superficiale di ghiaccio. Pertanto, perde calore molto più velocemente attraverso la parte superiore aperta.

Quando il processo di sottoraffreddamento termina e l’acqua ghiaccia, si perde molto più calore e quindi si forma più ghiaccio.

Molti ricercatori di questo effetto considerano l'ipotermia il fattore principale nel caso dell'effetto Mpemba.

Convezione

L'acqua fredda inizia a congelare dall'alto, peggiorando così i processi di irraggiamento e convezione del calore, e quindi la perdita di calore, mentre l'acqua calda inizia a congelare dal basso.

Questo effetto è spiegato da un'anomalia nella densità dell'acqua. L'acqua ha una densità massima a 4 C. Se raffreddi l'acqua a 4 C e la metti a una temperatura inferiore, lo strato superficiale dell'acqua si congelerà più velocemente. Poiché quest'acqua è meno densa dell'acqua alla temperatura di 4 C, rimarrà in superficie formando un sottile strato freddo. In queste condizioni, in breve tempo si formerà un sottile strato di ghiaccio sulla superficie dell'acqua, ma questo strato di ghiaccio fungerà da isolante, proteggendo gli strati inferiori dell'acqua, che rimarranno ad una temperatura di 4 C. Perciò processo ulteriore il raffreddamento avverrà più lentamente.

Nel caso dell'acqua calda la situazione è completamente diversa. Lo strato superficiale dell'acqua si raffredderà più rapidamente a causa dell'evaporazione e differenza più grande temperature Inoltre, gli strati di acqua fredda sono più densi degli strati di acqua calda, quindi lo strato di acqua fredda affonderà, sollevando lo strato acqua calda alla superficie. Questa circolazione dell'acqua garantisce un rapido abbassamento della temperatura.

Ma perché questo processo non raggiunge un punto di equilibrio? Per spiegare l'effetto Mpemba da questo punto di vista della convezione, sarebbe necessario supporre che gli strati d'acqua freddi e caldi siano separati e che il processo di convezione stesso continui dopo temperatura media l'acqua scenderà sotto i 4 C.

Tuttavia, non ci sono prove sperimentali a sostegno di questa ipotesi che gli strati d'acqua freddi e caldi siano separati dal processo di convezione.

Gas disciolti nell'acqua

L'acqua contiene sempre gas disciolti in essa: ossigeno e diossido di carbonio. Questi gas hanno la capacità di ridurre il punto di congelamento dell'acqua. Quando l'acqua viene riscaldata, questi gas vengono rilasciati dall'acqua perché la loro solubilità in acqua è inferiore alle alte temperature. Pertanto, quando l'acqua calda si raffredda, contiene sempre meno gas disciolti rispetto all'acqua fredda non riscaldata. Pertanto, il punto di congelamento dell'acqua riscaldata è più alto e si congela più velocemente. Questo fattore è talvolta considerato il principale per spiegare l'effetto Mpemba, sebbene non ci siano dati sperimentali che confermino questo fatto.

Conduttività termica

Questo meccanismo può svolgere un ruolo significativo quando l'acqua viene collocata nel vano frigorifero/congelatore in piccoli contenitori. In queste condizioni, si è notato che un contenitore con acqua calda scioglie il ghiaccio sottostante congelatore, migliorando così il contatto termico con la parete del congelatore e la conduttività termica. Di conseguenza, il calore viene rimosso più velocemente da un contenitore di acqua calda che da uno freddo. A sua volta, un contenitore con acqua fredda non scioglie la neve sottostante.

Tutte queste (così come altre) condizioni sono state studiate in molti esperimenti, ma una risposta chiara alla domanda - quali di esse forniscono una riproduzione al cento per cento dell'effetto Mpemba - non è mai stata ottenuta.

Ad esempio, nel 1995, il fisico tedesco David Auerbach ha studiato l'effetto del sottoraffreddamento dell'acqua su questo effetto. Scoprì che l'acqua calda, raggiungendo uno stato sottoraffreddato, congela a una temperatura più elevata dell'acqua fredda, e quindi più velocemente di quest'ultima. Ma l’acqua fredda raggiunge uno stato sottoraffreddato più velocemente dell’acqua calda, compensando così il ritardo precedente.

Inoltre, i risultati di Auerbach contraddicevano i dati precedenti secondo cui l’acqua calda era in grado di raggiungere un maggiore sottoraffreddamento grazie al minor numero di centri di cristallizzazione. Quando l'acqua viene riscaldata, i gas in essa disciolti vengono rimossi da essa e quando viene bollita precipitano alcuni sali disciolti in essa.

Per ora si può affermare solo una cosa: la riproduzione di questo effetto dipende in modo significativo dalle condizioni in cui viene condotto l'esperimento. Proprio perché non sempre viene riprodotta.

Ci sono molti fattori che influenzano quale acqua si congela più velocemente, calda o fredda, ma la domanda in sé sembra un po’ strana. L'implicazione, e questo è noto dalla fisica, è che l'acqua calda ha ancora bisogno di tempo per raffreddarsi alla temperatura dell'acqua fredda confrontata per trasformarsi in ghiaccio. L'acqua fredda può saltare questa fase e, di conseguenza, guadagna tempo.

Ma la risposta alla domanda su quale acqua si congela più velocemente - fredda o calda - fuori al freddo, ogni residente lo sa latitudini settentrionali. In effetti, scientificamente, risulta che in ogni caso l’acqua fredda è semplicemente destinata a congelare più velocemente.

L'insegnante di fisica, avvicinato dallo scolaretto Erasto Mpemba nel 1963, pensò la stessa cosa chiedendogli di spiegare perché la miscela fredda del futuro gelato impiega più tempo a congelarsi di una simile, ma calda.

“Questa non è fisica universale, ma una sorta di fisica Mpemba”

A quel tempo, l'insegnante si limitò a ridere di questo, ma Deniss Osborne, un professore di fisica, che un tempo visitò la stessa scuola dove studiò Erasto, confermò sperimentalmente la presenza di un tale effetto, sebbene allora non ci fosse alcuna spiegazione. Nel 1969, su una popolare rivista scientifica fu pubblicato un articolo congiunto di queste due persone, che descriveva questo effetto peculiare.

Da allora, a proposito, la questione su quale acqua si congela più velocemente - calda o fredda - ha il suo nome: effetto Mpemba, o paradosso.

La domanda circola da molto tempo

Naturalmente, un fenomeno del genere è già avvenuto prima ed è stato menzionato nei lavori di altri scienziati. Non solo lo scolaro era interessato a questo problema, ma anche René Descartes e persino Aristotele ci pensarono contemporaneamente.

Ma hanno iniziato a cercare approcci per risolvere questo paradosso solo alla fine del ventesimo secolo.

Condizioni affinché si verifichi un paradosso

Come nel caso del gelato, non è solo la semplice acqua a congelare durante l'esperimento. Devono essere presenti determinate condizioni per iniziare a discutere su quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda. Cosa influenza il corso di questo processo?

Ora, nel 21° secolo, sono state avanzate diverse opzioni che possono spiegare questo paradosso. Quale acqua congela più velocemente, calda o fredda, può dipendere dal fatto che ha un tasso di evaporazione più elevato rispetto all'acqua fredda. Pertanto, il suo volume diminuisce e, man mano che il volume diminuisce, il tempo di congelamento diventa più breve che se prendessimo lo stesso volume iniziale di acqua fredda.

È passato un po' di tempo dall'ultima volta che hai scongelato il congelatore.

Quale acqua congela più velocemente e perché ciò accade può essere influenzato dallo strato di neve che può essere presente nel congelatore del frigorifero utilizzato per l'esperimento. Se si prendono due contenitori di volume identico, ma uno contiene acqua calda e l'altro fredda, il contenitore con acqua calda scioglierà la neve sottostante, migliorando così il contatto del livello termico con la parete del frigorifero. Un contenitore di acqua fredda non può farlo. Se nello scomparto del frigorifero non è presente un tale rivestimento di neve, l'acqua fredda dovrebbe congelarsi più velocemente.

Alto - basso

Inoltre, il fenomeno per cui l'acqua si congela più velocemente, calda o fredda, è spiegato come segue. Seguendo alcune leggi, l'acqua fredda inizia a congelare strati superiori, quando è caldo fa il contrario: inizia a congelare dal basso verso l'alto. Si scopre che l'acqua fredda, avendo uno strato freddo sopra con ghiaccio già formato in alcuni punti, peggiora così i processi di convezione e radiazione termica, spiegando così quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda. Le foto degli esperimenti amatoriali sono allegate e questo è chiaramente visibile qui.

Il calore si spegne, correndo verso l'alto, e lì incontra uno strato molto fresco. Non esiste un percorso libero per la radiazione termica, quindi il processo di raffreddamento diventa difficile. L'acqua calda non incontra assolutamente ostacoli di questo tipo sul suo cammino. Che cosa si congela più velocemente - freddo o caldo, cosa determina il probabile risultato, puoi espandere la risposta dicendo che in qualsiasi acqua sono disciolte determinate sostanze.

Impurità nell'acqua come fattore che influenza il risultato

Se non imbrogli e usi acqua con la stessa composizione, dove le concentrazioni di alcune sostanze sono identiche, l'acqua fredda dovrebbe congelare più velocemente. Ma se si verifica una situazione in cui gli elementi chimici disciolti sono presenti solo nell'acqua calda e l'acqua fredda non li ha, l'acqua calda ha la possibilità di congelarsi prima. Ciò è spiegato dal fatto che le sostanze disciolte nell'acqua creano centri di cristallizzazione e, con un piccolo numero di questi centri, la trasformazione dell'acqua in stato solido difficile. È anche possibile che l'acqua venga sottoraffreddata, nel senso che a temperature inferiori allo zero sarà allo stato liquido.

Ma tutte queste versioni, a quanto pare, non si adattavano completamente agli scienziati e continuarono a lavorare su questo problema. Nel 2013, un team di ricercatori di Singapore ha affermato di aver risolto un mistero secolare.

Un gruppo di scienziati cinesi sostiene che il segreto di questo effetto risiede nella quantità di energia immagazzinata tra le molecole d'acqua nei suoi legami, chiamati legami idrogeno.

La risposta degli scienziati cinesi

Quello che segue sono le informazioni, per capire quali è necessario avere una certa conoscenza della chimica per capire quale acqua si congela più velocemente: calda o fredda. Come è noto, è formato da due atomi di H (idrogeno) e un atomo di O (ossigeno), tenuti insieme da legami covalenti.

Ma anche gli atomi di idrogeno di una molecola sono attratti dalle molecole vicine, dalla loro componente di ossigeno. Questi legami sono chiamati legami idrogeno.

Vale la pena ricordare che allo stesso tempo le molecole d'acqua hanno un effetto repulsivo l'una sull'altra. Gli scienziati hanno notato che quando l'acqua viene riscaldata, la distanza tra le sue molecole aumenta e ciò è facilitato dalle forze repulsive. Si scopre che occupando la stessa distanza tra le molecole allo stato freddo, si può dire che si allungano e hanno una maggiore riserva di energia. È questa riserva di energia che viene rilasciata quando le molecole d'acqua iniziano ad avvicinarsi l'una all'altra, cioè si verifica il raffreddamento. Si scopre che una maggiore riserva di energia nell'acqua calda, e il suo maggiore rilascio durante il raffreddamento a temperature sotto lo zero, avviene più velocemente che nell'acqua fredda, che ha una minore riserva di tale energia. Quindi quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda? Per strada e in laboratorio dovrebbe verificarsi il paradosso di Mpemba e l'acqua calda dovrebbe trasformarsi in ghiaccio più velocemente.

Ma la questione è ancora aperta

Di questa soluzione esiste solo una conferma teorica: è tutto scritto bellissime formule e sembra plausibile. Ma quando i dati sperimentali su cui l’acqua si congela più velocemente – calda o fredda – vengono messi in pratica e vengono presentati i loro risultati, allora la questione del paradosso di Mpemba può essere considerata chiusa.

La Royal Society of Chemistry britannica offre una ricompensa di 1.000 sterline a chiunque possa spiegare scientificamente perché in alcuni casi l’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda.

“La scienza moderna non è ancora in grado di rispondere a questa domanda apparentemente semplice. Gelatieri e baristi sfruttano questo effetto nel loro lavoro quotidiano, ma nessuno sa veramente perché funzioni. Questo problema è noto da millenni, filosofi come Aristotele e Cartesio se ne occupavano”, ha affermato il professor David Phillips, presidente della British Royal Society of Chemistry, come citato in un comunicato stampa della Società.

Come un cuoco africano ha sconfitto un professore di fisica britannico

Questo non è uno scherzo del pesce d'aprile, ma una dura realtà fisica. La scienza moderna, che opera facilmente con galassie e buchi neri e costruisce giganteschi acceleratori per cercare quark e bosoni, non può spiegare come “funziona” l’acqua elementare. Il libro di testo scolastico afferma chiaramente che ci vuole più tempo per raffreddare un corpo più caldo che per raffreddare un corpo freddo. Ma per l'acqua questa legge non viene sempre rispettata. Aristotele attirò l'attenzione su questo paradosso nel IV secolo a.C. e. Ecco cosa scriveva l'antico greco nel suo libro Meteorologica I: “Il fatto che l'acqua venga preriscaldata la fa congelare. Pertanto, molte persone, quando vogliono raffreddare l'acqua calda più velocemente, la mettono prima al sole...” Nel Medioevo, Francis Bacon e René Descartes cercarono di spiegare questo fenomeno. Purtroppo, né i grandi filosofi né i numerosi scienziati che svilupparono la termofisica classica ci riuscirono, e quindi un fatto così scomodo fu “dimenticato” per molto tempo.

E solo nel 1968 si “ricordarono” grazie allo scolaro Erasto Mpembe della Tanzania, lontano da ogni scienza. Mentre studiava alla scuola di arti culinarie nel 1963, al tredicenne Mpembe fu affidato il compito di preparare il gelato. Secondo la tecnologia, era necessario far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo in frigorifero per congelarlo. Apparentemente Mpemba non era uno studente diligente ed esitava. Temendo di non farcela alla fine della lezione, mise nel frigorifero il latte ancora caldo. Con sua sorpresa, si congelò anche prima del latte dei suoi compagni, preparato secondo tutte le regole.

Quando Mpemba ha condiviso la sua scoperta con il suo insegnante di fisica, ha riso di lui davanti a tutta la classe. Mpemba si ricordò dell'insulto. Cinque anni dopo, già studente all'università di Dar es Salaam, assistette ad una conferenza del famoso fisico Denis G. Osborne. Dopo la conferenza, ha posto una domanda allo scienziato: “Se prendi due contenitori identici con uguali quantità di acqua, uno a 35 °C (95 °F) e l’altro a 100 °C (212 °F), e li metti nel congelatore, l'acqua in un contenitore caldo si congelerà più velocemente. Perché?" Potete immaginare la reazione di un professore britannico alla domanda di un giovane della Tanzania dimenticata da Dio. Ha preso in giro lo studente. Tuttavia, Mpemba era pronto per una risposta del genere e sfidò lo scienziato a una scommessa. La loro disputa si concluse con un test sperimentale che confermò che Mpemba aveva ragione e Osborne sconfitto. Così l’apprendista cuoco scrisse il suo nome nella storia della scienza, e da ora in poi questo fenomeno verrà chiamato “effetto Mpemba”. Impossibile scartarlo, dichiararlo “inesistente”. Il fenomeno esiste e, come scriveva il poeta, “non fa male”.

La colpa è delle particelle di polvere e dei soluti?

Nel corso degli anni, molti hanno cercato di svelare il mistero dell’acqua gelata. Sono state proposte numerose spiegazioni per questo fenomeno: evaporazione, convezione, influenza delle sostanze disciolte, ma nessuno di questi fattori può essere considerato definitivo. Numerosi scienziati hanno dedicato tutta la loro vita all’effetto Mpemba. Dipendente del Dipartimento di radioprotezione Università Statale New York – James Brownridge – dentro tempo libero studia il paradosso ormai da oltre un decennio. Dopo aver condotto centinaia di esperimenti, lo scienziato afferma di avere prove della “colpa” dell'ipotermia. Brownridge spiega che a 0°C l’acqua diventa solo superraffreddata e inizia a congelare quando la temperatura scende al di sotto. Il punto di congelamento è regolato dalle impurità presenti nell'acqua: modificano la velocità di formazione dei cristalli di ghiaccio. Le impurità, come particelle di polvere, batteri e sali disciolti, hanno una temperatura di nucleazione caratteristica quando si formano cristalli di ghiaccio attorno ai centri di cristallizzazione. Quando nell'acqua sono presenti più elementi contemporaneamente, il punto di congelamento è determinato da quello che ne contiene di più alta temperatura nucleazione.

Per l'esperimento, Brownridge prese due campioni di acqua della stessa temperatura e li mise nel congelatore. Scoprì che uno degli esemplari gelava sempre prima dell'altro, presumibilmente a causa di una diversa combinazione di impurità.

Brownridge afferma che l'acqua calda si raffredda più velocemente perché c'è una maggiore differenza tra la temperatura dell'acqua e quella del congelatore: questo aiuta a raggiungere il punto di congelamento prima che l'acqua fredda raggiunga il suo punto di congelamento naturale, che è almeno 5°C inferiore.

Tuttavia, il ragionamento di Brownridge solleva molte domande. Pertanto, coloro che riescono a spiegare l'effetto Mpemba a modo loro hanno la possibilità di competere per mille sterline dalla Royal Society of Chemistry britannica.