Il paradosso è che l’acqua calda si congela più velocemente. Il segreto per congelare rapidamente l'acqua calda è stato svelato.

Molti ricercatori hanno proposto e continuano a presentare le loro versioni sul perché acqua calda si congela più velocemente del freddo. 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 che 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 entra stato solido dal 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 sia proprio questa legami di 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, al centro delle molecole si verifica il rilassamento dei legami covalenti con il rilascio dell'energia in eccesso e il passaggio a 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.

Acqua congelata all'istante - 5 trucchi incredibili: video

Il fenomeno del congelamento dell’acqua calda a una velocità maggiore rispetto all’acqua fredda è noto nella scienza come effetto Mpemba. Grandi menti come Aristotele, Francis Bacon e René Descartes rifletterono su questo fenomeno paradossale, ma per migliaia di anni nessuno è stato ancora in grado di offrire una spiegazione ragionevole per questo fenomeno.

Solo nel 1963, uno scolaro della Repubblica del Tanganica, Erasto Mpemba, notò questo effetto usando l'esempio del gelato, ma nessun adulto gli diede una spiegazione. Tuttavia, fisici e chimici hanno pensato seriamente a un fenomeno così semplice, ma così incomprensibile.

Da allora hanno parlato apertamente versioni diverse, uno dei quali suonava come segue: parte dell'acqua calda prima evapora semplicemente e poi, quando ne rimane meno, l'acqua si congela più velocemente. Questa versione, per la sua semplicità, divenne la più popolare, ma non soddisfò completamente gli scienziati.

Ora un team di ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore, guidati dal chimico Xi Zhang, afferma di aver risolto l’annoso mistero del perché l’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda. Come hanno scoperto gli esperti cinesi, il segreto sta nella quantità di energia immagazzinata nei legami idrogeno tra le molecole d’acqua.

Come sapete, le molecole d'acqua sono costituite da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno tenuti insieme da legami covalenti, che a livello di particelle assomigliano ad uno scambio di elettroni. Un altro fatto noto sta nel fatto che gli atomi di idrogeno sono attratti dagli atomi di ossigeno delle molecole vicine e si formano legami idrogeno.

Allo stesso tempo, le molecole d'acqua generalmente si respingono. Gli scienziati di Singapore hanno notato: più calda è l'acqua, maggiore è la distanza tra le molecole del liquido a causa dell'aumento delle forze repulsive. Di conseguenza, i legami idrogeno vengono allungati e quindi immagazzinano più energia. Questa energia viene rilasciata quando l'acqua si raffredda: le molecole si avvicinano l'una all'altra. E liberare energia, come è noto, significa raffreddamento.

Come scrivono i chimici nel loro articolo, che può essere trovato sul sito web di prestampa arXiv.org, nell’acqua calda i legami idrogeno sono più forti che nell’acqua fredda. Pertanto, si scopre che nei legami idrogeno dell’acqua calda viene immagazzinata più energia, il che significa che una maggiore quantità di essa viene rilasciata quando viene raffreddata a temperature inferiori allo zero. Per questo motivo l'indurimento avviene più velocemente.

Ad oggi, gli scienziati hanno risolto questo mistero solo teoricamente. Quando presentano prove convincenti della loro versione, la questione del perché l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda può essere considerata chiusa.

L'effetto Mpemba o perché l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda? L'effetto Mpemba (paradosso Mpemba) è un paradosso secondo cui 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 con il latte, ma anche con 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 oggi, 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 diverse temperature. 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 da un contenitore, riducendo così il suo volume, e un volume minore di acqua alla stessa temperatura 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 A causa del fatto che la differenza di temperatura tra acqua calda e c'è più aria fredda, quindi 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 a 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 far sì che i cristalli inizino a formarsi spontaneamente. 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? In caso di acqua fredda, che non è sottoraffreddato, 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 comincia 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 più bassa, 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 al di sotto dei 4 C. Tuttavia, non ci sono dati sperimentali che confermino questa ipotesi secondo cui gli strati d'acqua freddi e caldi vengono separati durante il 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 ridotta alta temperatura sotto. 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 acqua fredda raggiunge uno stato sottoraffreddato più velocemente di uno caldo, 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. OV Mosin

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 a congelare. 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 ha la temperatura di nucleazione più alta.

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.

Effetto Mpemba(Paradosso di Mpemba) - 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.

Come studente alla Magambi High School in Tanzania, Erasto Mpemba ha svolto un lavoro pratico come cuoco. Aveva bisogno di preparare il gelato fatto in casa: far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo 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 sperimentò non solo il latte, ma anche l'acqua normale. 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 uguali volumi d'acqua in modo che in uno l'acqua abbia una temperatura di 35°C, e nell'altro - 100°C, e metteteli nel congelatore, poi nel secondo l'acqua si congelerà più velocemente. Perché? Osborne si interessò a questo problema e presto, nel 1969, lui e Mpemba pubblicarono i risultati dei loro esperimenti sulla rivista Physics Education. Da allora, l'effetto che hanno 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 che il tempo durante il quale un corpo si raffredda fino alla temperatura ambiente dovrebbe 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 far sì che i cristalli inizino a formarsi spontaneamente. 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 più bassa, 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. Pertanto, l’ulteriore processo di raffreddamento sarà più lento.

Nel caso dell'acqua calda la situazione è completamente diversa. Lo strato superficiale dell'acqua si raffredderà più rapidamente a causa dell'evaporazione e di una maggiore differenza di temperatura. Inoltre, gli strati di acqua fredda sono più densi degli strati di acqua calda, quindi lo strato di acqua fredda affonderà, sollevando lo strato di acqua calda in 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 che la temperatura media dell'acqua scende 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 anidride carbonica. 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 osservato che un contenitore di acqua calda scioglie il ghiaccio presente nel congelatore sottostante, 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.

OV Mosin

Letterariofonti:

"L'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda. Perché lo fa?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, vol. 237, n. 3, pp. 246-257; Settembre 1977.

"Il congelamento dell'acqua calda e fredda", G.S. Kell nell'American Journal of Physics, vol. 37, n. 5, pp 564-565; Maggio 1969.

"Il superraffreddamento e l'effetto Mpemba", David Auerbach, in American Journal of Physics, vol. 63, n. 10, pp 882-885; Ottobre 1995.

"L'effetto Mpemba: i tempi di congelamento dell'acqua calda e fredda", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, vol. 64, n. 5, p. 524; Maggio 1996.