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Heißes Wasser kühlt schneller ab als kaltes Wasser erwärmt. Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Bedingungen für das Auftreten eines Paradoxons

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Welches Wasser gefriert schneller, kalt oder heiß?„Stellen Sie Ihren Freunden eine Frage. Die meisten von ihnen werden höchstwahrscheinlich antworten, dass kaltes Wasser schneller gefriert – und sie werden einen Fehler machen.

Wenn Sie nämlich gleichzeitig zwei Gefäße gleicher Form und gleichen Volumens in den Gefrierschrank stellen, von denen eines kaltes und das andere heißes Wasser enthält, dann gefriert das heiße Wasser schneller.

Eine solche Aussage mag absurd und unvernünftig erscheinen. Wenn man der Logik folgt, muss heißes Wasser zunächst auf die Temperatur von kaltem Wasser abkühlen und kaltes Wasser sollte sich zu diesem Zeitpunkt bereits in Eis verwandeln.

Warum schlägt heißes Wasser also kaltes Wasser auf dem Weg zum Gefrieren? Versuchen wir es herauszufinden.

Beobachtungs- und Forschungsgeschichte

Seit der Antike beobachten Menschen diesen paradoxen Effekt, aber niemand hat ihm große Bedeutung beigemessen. So stellten Arestoteles sowie Rene Descartes und Francis Bacon in ihren Notizen die Inkonsistenzen in der Gefriergeschwindigkeit von kaltem und heißem Wasser fest. Im Alltag trat häufig ein ungewöhnliches Phänomen auf.

Das Phänomen wurde lange Zeit in keiner Weise untersucht und stieß bei Wissenschaftlern nicht auf großes Interesse.

Die Erforschung dieses ungewöhnlichen Effekts begann im Jahr 1963, als ein neugieriger Schüler aus Tansania, Erasto Mpemba, bemerkte, dass heiße Milch für Eiscreme schneller gefror als kalte Milch. In der Hoffnung, eine Erklärung für die Gründe für den ungewöhnlichen Effekt zu bekommen, fragte der junge Mann seinen Physiklehrer in der Schule. Der Lehrer lachte ihn jedoch nur aus.

Später wiederholte Mpemba das Experiment, verwendete in seinem Experiment jedoch nicht mehr Milch, sondern Wasser, und der paradoxe Effekt wiederholte sich erneut.

Sechs Jahre später, 1969, stellte Mpemba diese Frage dem Physikprofessor Dennis Osborne, der an seine Schule kam. Der Professor interessierte sich für die Beobachtung des jungen Mannes und als Ergebnis wurde ein Experiment durchgeführt, das das Vorhandensein des Effekts bestätigte, aber die Gründe für dieses Phänomen wurden nicht geklärt.

Seitdem wird das Phänomen genannt Mpemba-Effekt.

Im Laufe der Geschichte der wissenschaftlichen Beobachtungen wurden viele Hypothesen über die Ursachen des Phänomens aufgestellt.

Deshalb kündigte die britische Royal Society of Chemistry im Jahr 2012 einen Wettbewerb mit Hypothesen zur Erklärung des Mpemba-Effekts an. An dem Wettbewerb beteiligten sich Wissenschaftler aus aller Welt; insgesamt wurden 22.000 wissenschaftliche Arbeiten angemeldet. Trotz dieser beeindruckenden Anzahl an Artikeln brachte keiner von ihnen Klarheit in das Mpemba-Paradoxon.

Die am weitesten verbreitete Version war, dass heißes Wasser schneller gefriert, da es einfach schneller verdunstet, sein Volumen kleiner wird und mit abnehmendem Volumen seine Abkühlgeschwindigkeit zunimmt. Die gängigste Version wurde schließlich widerlegt, da ein Experiment durchgeführt wurde, bei dem die Verdunstung ausgeschlossen wurde, der Effekt aber dennoch bestätigt wurde.

Andere Wissenschaftler glaubten, dass die Ursache des Mpemba-Effekts die Verdunstung von im Wasser gelösten Gasen sei. Ihrer Meinung nach verdampfen beim Erhitzen im Wasser gelöste Gase, wodurch es eine höhere Dichte als kaltes Wasser annimmt. Bekanntlich führt eine Erhöhung der Dichte zu einer Änderung der physikalischen Eigenschaften von Wasser (Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) und damit zu einer Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit.

Darüber hinaus wurden eine Reihe von Hypothesen aufgestellt, die die Geschwindigkeit der Wasserzirkulation in Abhängigkeit von der Temperatur beschreiben. In vielen Studien wurde versucht, den Zusammenhang zwischen dem Material der Behälter, in denen sich die Flüssigkeit befand, festzustellen. Viele Theorien schienen sehr plausibel, konnten jedoch wissenschaftlich nicht bestätigt werden, da erste Daten fehlten, Widersprüche in anderen Experimenten bestanden oder weil die identifizierten Faktoren einfach nicht mit der Abkühlungsgeschwindigkeit von Wasser vergleichbar waren. Einige Wissenschaftler stellten in ihren Arbeiten die Existenz des Effekts in Frage.

Im Jahr 2013 behaupteten Forscher der Nanyang Technological University in Singapur, das Rätsel des Mpemba-Effekts gelöst zu haben. Der Grund für das Phänomen liegt ihrer Forschung zufolge darin, dass die in Wasserstoffbrücken zwischen kalten und heißen Wassermolekülen gespeicherte Energiemenge deutlich unterschiedlich ist.

Computermodellierungsmethoden zeigten folgende Ergebnisse: Je höher die Wassertemperatur, desto größer der Abstand zwischen den Molekülen, da die Abstoßungskräfte zunehmen. Dadurch dehnen sich die Wasserstoffbrückenbindungen der Moleküle und speichern so mehr Energie. Beim Abkühlen beginnen die Moleküle näher zueinander zu rücken und geben Energie aus Wasserstoffbrücken frei. In diesem Fall geht mit der Energiefreisetzung ein Temperaturabfall einher.

Im Oktober 2017 stellten spanische Physiker im Zuge einer weiteren Studie fest, dass eine wesentliche Rolle bei der Entstehung des Effekts die Entfernung eines Stoffes aus dem Gleichgewicht (starke Erwärmung vor starker Abkühlung) spielt. Sie ermittelten die Bedingungen, unter denen die Eintrittswahrscheinlichkeit des Effekts am größten ist. Darüber hinaus bestätigten Wissenschaftler aus Spanien die Existenz des umgekehrten Mpemba-Effekts. Sie fanden heraus, dass eine kältere Probe beim Erhitzen schneller eine hohe Temperatur erreichen kann als eine wärmere.

Trotz umfassender Informationen und zahlreicher Experimente wollen Wissenschaftler den Effekt weiter untersuchen.

Mpemba-Effekt im wirklichen Leben

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Eisbahn im Winter mit heißem und nicht mit kaltem Wasser gefüllt ist? Wie Sie bereits wissen, geschieht dies, weil eine mit heißem Wasser gefüllte Eisbahn schneller gefriert, als wenn sie mit kaltem Wasser gefüllt wäre. Aus dem gleichen Grund wird in winterlichen Eisstädten heißes Wasser in die Rutschen gegossen.

Das Wissen um die Existenz des Phänomens ermöglicht es den Menschen, Zeit bei der Vorbereitung von Wintersportgebieten zu sparen.

Darüber hinaus wird der Mpemba-Effekt manchmal in der Industrie genutzt, um die Gefrierzeit wasserhaltiger Produkte, Stoffe und Materialien zu verkürzen.

Die britische Royal Society of Chemistry setzt eine Belohnung von 1.000 £ für jeden aus, der wissenschaftlich erklären kann, warum heißes Wasser in manchen Fällen schneller gefriert als kaltes Wasser.

„Die moderne Wissenschaft kann diese scheinbar einfache Frage immer noch nicht beantworten. Eismacher und Barkeeper nutzen diesen Effekt in ihrer täglichen Arbeit, aber niemand weiß wirklich, warum er funktioniert. „Dieses Problem ist seit Jahrtausenden bekannt und Philosophen wie Aristoteles und Descartes haben darüber nachgedacht“, wird Professor David Phillips, Präsident der British Royal Society of Chemistry, in einer Pressemitteilung der Gesellschaft zitiert.

Wie ein Koch aus Afrika einen britischen Physikprofessor besiegte

Dies ist kein Aprilscherz, sondern eine harte physische Realität. Die moderne Wissenschaft, die problemlos mit Galaxien und Schwarzen Löchern operiert und riesige Beschleuniger baut, um nach Quarks und Bosonen zu suchen, kann nicht erklären, wie elementares Wasser „funktioniert“. Im Schulbuch heißt es eindeutig, dass das Abkühlen eines heißeren Körpers länger dauert als das Abkühlen eines kalten Körpers. Bei Wasser wird dieses Gesetz jedoch nicht immer eingehalten. Auf dieses Paradox machte Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. aufmerksam. e. So schrieb der antike Grieche in seinem Buch Meteorologica I: „Die Tatsache, dass Wasser vorgewärmt wird, führt dazu, dass es gefriert. Deshalb legen viele Menschen, wenn sie heißes Wasser schneller abkühlen wollen, es zuerst in die Sonne...“ Im Mittelalter versuchten Francis Bacon und Rene Descartes, dieses Phänomen zu erklären. Leider gelang dies weder den großen Philosophen noch den zahlreichen Wissenschaftlern, die die klassische Thermophysik entwickelten, und daher geriet diese unbequeme Tatsache lange Zeit in Vergessenheit.

Und erst 1968 „erinnerten“ sie sich dank des Schülers Erasto Mpembe aus Tansania, fernab jeglicher Wissenschaft. Während seines Studiums an der Kochkunstschule im Jahr 1963 erhielt der 13-jährige Mpembe die Aufgabe, Eis herzustellen. Gemäß der Technologie war es notwendig, Milch zu kochen, Zucker darin aufzulösen, auf Raumtemperatur abzukühlen und sie dann zum Einfrieren in den Kühlschrank zu stellen. Anscheinend war Mpemba kein fleißiger Schüler und zögerte. Aus Angst, dass er es bis zum Ende der Unterrichtsstunde nicht schaffen würde, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie noch früher als die nach allen Regeln zubereitete Milch seiner Kameraden.

Als Mpemba seinem Physiklehrer seine Entdeckung erzählte, lachte er ihn vor der ganzen Klasse aus. Mpemba erinnerte sich an die Beleidigung. Fünf Jahre später, bereits Student an der Universität in Daressalam, besuchte er eine Vorlesung des berühmten Physikers Denis G. Osborne. Nach dem Vortrag stellte er dem Wissenschaftler eine Frage: „Wenn man zwei identische Behälter mit gleichen Mengen Wasser, einen bei 35 °C (95 °F) und den anderen bei 100 °C (212 °F), nimmt und sie aufstellt im Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser in einem heißen Behälter schneller. Warum?" Sie können sich die Reaktion eines britischen Professors auf die Frage eines jungen Mannes aus dem gottverlassenen Tansania vorstellen. Er machte sich über den Studenten lustig. Mpemba war jedoch auf eine solche Antwort vorbereitet und forderte den Wissenschaftler zu einer Wette heraus. Ihr Streit endete mit einem experimentellen Test, der bestätigte, dass Mpemba Recht hatte und Osborne besiegte. Damit schrieb der Kochlehrling seinen Namen in die Geschichte der Wissenschaft, und fortan wird dieses Phänomen als „Mpemba-Effekt“ bezeichnet. Es ist unmöglich, es wegzuwerfen, es für „nichtexistent“ zu erklären. Das Phänomen existiert, und wie der Dichter schrieb: „Es tut nicht weh.“

Sind Staubpartikel und gelöste Stoffe schuld?

Im Laufe der Jahre haben viele versucht, das Geheimnis des gefrierenden Wassers zu lüften. Es gibt eine ganze Reihe von Erklärungen für dieses Phänomen: Verdunstung, Konvektion, der Einfluss gelöster Stoffe – aber keiner dieser Faktoren kann als endgültig angesehen werden. Eine Reihe von Wissenschaftlern haben ihr ganzes Leben dem Mpemba-Effekt gewidmet. James Brownridge, Mitglied der Abteilung für Strahlenschutz an der State University of New York, beschäftigt sich seit einem Jahrzehnt in seiner Freizeit mit dem Paradoxon. Nach Hunderten von Experimenten behauptet der Wissenschaftler, Beweise für die „Schuld“ der Unterkühlung zu haben. Brownridge erklärt, dass Wasser bei 0 °C nur unterkühlt wird und zu gefrieren beginnt, wenn die Temperatur darunter fällt. Der Gefrierpunkt wird durch Verunreinigungen im Wasser reguliert – sie verändern die Geschwindigkeit der Eiskristallbildung. Verunreinigungen wie Staubpartikel, Bakterien und gelöste Salze weisen eine charakteristische Keimbildungstemperatur auf, wenn sich Eiskristalle um Kristallisationszentren bilden. Wenn mehrere Elemente gleichzeitig im Wasser vorhanden sind, wird der Gefrierpunkt durch dasjenige bestimmt, das die höchste Keimbildungstemperatur aufweist.

Für das Experiment entnahm Brownridge zwei Wasserproben gleicher Temperatur und stellte sie in den Gefrierschrank. Er entdeckte, dass immer eines der Exemplare vor dem anderen gefror, vermutlich aufgrund einer anderen Kombination von Verunreinigungen.

Laut Brownridge kühlt heißes Wasser schneller ab, weil zwischen der Temperatur des Wassers und der des Gefrierschranks ein größerer Unterschied besteht. Dadurch erreicht es seinen Gefrierpunkt, bevor kaltes Wasser seinen natürlichen Gefrierpunkt erreicht, der mindestens 5 °C niedriger liegt.

Allerdings wirft Brownridges Argumentation viele Fragen auf. Daher haben diejenigen, die den Mpemba-Effekt auf ihre eigene Weise erklären können, die Chance, sich um tausend Pfund Sterling von der britischen Royal Society of Chemistry zu bewerben.

Im Jahr 1963 stellte ein tansanischer Schüler namens Erasto Mpemba seinem Lehrer eine dumme Frage: Warum gefrierte das warme Eis in seinem Gefrierschrank schneller als das kalte?

Als Schüler der Magambi High School in Tansania arbeitete Erasto Mpemba praktisch als Koch. Er musste selbstgemachtes Eis herstellen – Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen lassen und es dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und verzögerte die Fertigstellung des ersten Teils der Aufgabe. Aus Angst, dass er es bis zum Ende der Unterrichtsstunde nicht schaffen würde, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie noch früher als die Milch seiner Kameraden, die nach der vorgegebenen Technologie zubereitet wurde.

Er wandte sich zur Klärung an den Physiklehrer, lachte den Schüler jedoch nur aus und sagte: „Das ist keine universelle Physik, sondern Mpemba-Physik.“ Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit normalem Wasser.

Jedenfalls fragte er bereits als Schüler der Mkwava Secondary School Professor Dennis Osborne vom University College in Dar Es Salaam (auf Einladung des Schulleiters, den Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) konkret zum Thema Wasser: „If you take zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass das Wasser in einem eine Temperatur von 35 °C und im anderen eine Temperatur von 100 °C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten schneller. Warum?" Osborne interessierte sich für dieses Thema und bald darauf, im Jahr 1969, veröffentlichten er und Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift Physics Education. Seitdem wird der von ihnen entdeckte Effekt Mpemba-Effekt genannt.

Möchten Sie wissen, warum das passiert? Erst vor wenigen Jahren gelang es Wissenschaftlern, dieses Phänomen zu erklären...

Der Mpemba-Effekt (Mpemba-Paradoxon) ist ein Paradoxon, das besagt, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, obwohl es während des Gefriervorgangs die Temperatur von kaltem Wasser überschreiten muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach ein stärker erhitzter Körper unter gleichen Bedingungen mehr Zeit braucht, um auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein weniger erhitzter Körper, um auf die gleiche Temperatur abzukühlen.

Dieses Phänomen wurde seinerzeit von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt. Bisher weiß niemand genau, wie dieser seltsame Effekt zu erklären ist. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber es ist noch nicht klar, welche Eigenschaften in diesem Fall eine Rolle spielen: der Unterschied in der Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder die Wirkung von verflüssigten Gasen auf Wasser unterschiedliche Temperaturen. Das Paradoxe des Mpemba-Effekts besteht darin, dass die Zeit, in der ein Körper auf die Umgebungstemperatur abkühlt, proportional zum Temperaturunterschied zwischen diesem Körper und der Umgebung sein sollte. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Dabei kühlt Wasser mit einer Temperatur von 100 °C schneller auf eine Temperatur von 0 °C ab als die gleiche Menge Wasser mit einer Temperatur von 35 °C.

Seitdem wurden verschiedene Versionen geäußert, von denen eine so lautete: Ein Teil des heißen Wassers verdunstet zunächst einfach, und wenn dann weniger davon übrig bleibt, gefriert das Wasser schneller. Diese Version wurde aufgrund ihrer Einfachheit zur beliebtesten, stellte die Wissenschaftler jedoch nicht vollständig zufrieden.

Jetzt sagt ein Forscherteam der Nanyang Technological University in Singapur unter der Leitung des Chemikers Xi Zhang, dass sie das uralte Rätsel gelöst haben, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wie chinesische Experten herausgefunden haben, liegt das Geheimnis in der Menge an Energie, die in Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen gespeichert ist.

Wie Sie wissen, bestehen Wassermoleküle aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, was auf Partikelebene wie ein Elektronenaustausch aussieht. Eine weitere bekannte Tatsache ist, dass Wasserstoffatome von Sauerstoffatomen benachbarter Moleküle angezogen werden – es entstehen Wasserstoffbrückenbindungen.

Gleichzeitig stoßen sich Wassermoleküle im Allgemeinen gegenseitig ab. Wissenschaftler aus Singapur stellten fest: Je wärmer das Wasser, desto größer ist der Abstand zwischen den Molekülen der Flüssigkeit, da die Abstoßungskräfte zunehmen. Dadurch werden Wasserstoffbrückenbindungen gedehnt und speichern somit mehr Energie. Diese Energie wird beim Abkühlen des Wassers freigesetzt – die Moleküle rücken einander näher. Und die Freisetzung von Energie bedeutet bekanntlich Abkühlung.

Hier sind die Annahmen der Wissenschaftler:

Verdunstung

Heißes Wasser verdunstet schneller aus dem Behälter, wodurch sich sein Volumen verringert und eine kleinere Wassermenge bei gleicher Temperatur schneller gefriert. Auf 100 °C erhitztes Wasser verliert beim Abkühlen auf 0 °C 16 % seiner Masse. Der Verdunstungseffekt ist ein doppelter Effekt. Erstens verringert sich die zur Kühlung benötigte Wassermasse. Und zweitens sinkt seine Temperatur durch die Verdunstung.

Temperaturunterschied

Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist der Wärmeaustausch in diesem Fall intensiver und das heiße Wasser kühlt schneller ab.

Unterkühlung
Wenn Wasser unter 0 °C abkühlt, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer Unterkühlung kommen und bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt weiterhin flüssig bleiben. In manchen Fällen kann Wasser auch bei einer Temperatur von –20 °C flüssig bleiben. Der Grund für diesen Effekt liegt darin, dass für die Bildung der ersten Eiskristalle Kristallbildungszentren benötigt werden. Wenn sie in flüssigem Wasser nicht vorhanden sind, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit sinkt, dass sich spontan Kristalle zu bilden beginnen. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, beginnen sie schneller zu wachsen und bilden Eisbrei, der zu Eis gefriert. Heißes Wasser ist am anfälligsten für Unterkühlung, da durch Erhitzen gelöste Gase und Blasen entfernt werden, die wiederum als Zentren für die Bildung von Eiskristallen dienen können. Warum gefriert heißes Wasser bei Unterkühlung schneller? Bei kaltem Wasser, das nicht unterkühlt ist, passiert Folgendes: Auf seiner Oberfläche bildet sich eine dünne Eisschicht, die als Isolator zwischen dem Wasser und der kalten Luft wirkt und so eine weitere Verdunstung verhindert. Die Geschwindigkeit der Eiskristallbildung ist in diesem Fall geringer. Bei heißem Wasser, das einer Unterkühlung ausgesetzt ist, weist das unterkühlte Wasser keine schützende Eisschicht an der Oberfläche auf. Daher verliert es durch die offene Oberseite viel schneller Wärme. Wenn der Unterkühlungsprozess endet und das Wasser gefriert, geht viel mehr Wärme verloren und es bildet sich daher mehr Eis. Viele Forscher dieses Effekts halten Unterkühlung für den Hauptfaktor im Fall des Mpemba-Effekts.
Konvektion

Kaltes Wasser beginnt von oben zu gefrieren, wodurch sich die Prozesse der Wärmestrahlung und Konvektion und damit der Wärmeverlust verschlechtern, während heißes Wasser von unten zu gefrieren beginnt. Dieser Effekt wird durch eine Anomalie der Wasserdichte erklärt. Wasser hat seine maximale Dichte bei 4°C. Wenn Sie Wasser auf 4 °C abkühlen und es in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur stellen, gefriert die Wasseroberfläche schneller. Da dieses Wasser eine geringere Dichte als Wasser bei 4 °C hat, bleibt es an der Oberfläche und bildet eine dünne kalte Schicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich innerhalb kurzer Zeit eine dünne Eisschicht auf der Wasseroberfläche, die jedoch als Isolator fungiert und die unteren Wasserschichten schützt, die eine Temperatur von 4 °C haben . Daher wird der weitere Abkühlungsprozess langsamer sein. Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund der Verdunstung und eines größeren Temperaturunterschieds schneller ab. Außerdem sind Kaltwasserschichten dichter als Warmwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche bringt. Diese Wasserzirkulation sorgt für einen schnellen Temperaturabfall. Aber warum erreicht dieser Prozess keinen Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt aus Sicht der Konvektion zu erklären, müsste man annehmen, dass die kalten und heißen Wasserschichten getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst weitergeht, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 °C sinkt. Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise, die diese Hypothese stützen, dass kalte und heiße Wasserschichten durch den Prozess der Konvektion getrennt werden.

In Wasser gelöste Gase

Wasser enthält immer darin gelöste Gase – Sauerstoff und Kohlendioxid. Diese Gase haben die Fähigkeit, den Gefrierpunkt von Wasser zu senken. Beim Erhitzen von Wasser werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hohen Temperaturen geringer ist. Wenn heißes Wasser abkühlt, enthält es daher immer weniger gelöste Gase als in ungeheiztem Kaltwasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als Hauptfaktor für die Erklärung des Mpemba-Effekts angesehen, obwohl es keine experimentellen Daten gibt, die diese Tatsache bestätigen.

Wärmeleitfähigkeit

Dieser Mechanismus kann eine wichtige Rolle spielen, wenn Wasser in kleinen Behältern in den Kühlraum des Gefrierfachs gegeben wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass ein Behälter mit heißem Wasser das Eis im darunter liegenden Gefrierschrank schmilzt und dadurch den Wärmekontakt mit der Gefrierschrankwand und die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Dadurch wird einem Behälter mit heißem Wasser schneller Wärme entzogen als einem kalten. Ein Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt den Schnee darunter nicht. Alle diese (sowie andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, welche davon den Mpemba-Effekt hundertprozentig reproduzieren, wurde nie erhalten. Beispielsweise untersuchte der deutsche Physiker David Auerbach 1995 die Auswirkung von unterkühltem Wasser auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, wenn es einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als dieses. Kaltes Wasser erreicht jedoch schneller einen unterkühlten Zustand als heißes Wasser und gleicht so die vorherige Verzögerung aus. Darüber hinaus widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, wonach heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen könne. Beim Erhitzen von Wasser werden darin gelöste Gase entfernt und beim Kochen fallen einige darin gelöste Salze aus. Vorerst lässt sich nur eines sagen: Die Reproduktion dieses Effekts hängt maßgeblich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Aber wie sie sagen, der wahrscheinlichste Grund.

Wie die Chemiker in ihrem Artikel schreiben, der auf der Preprint-Website arXiv.org zu finden ist, sind Wasserstoffbrückenbindungen in heißem Wasser stärker als in kaltem Wasser. Es zeigt sich also, dass in den Wasserstoffbrückenbindungen von heißem Wasser mehr Energie gespeichert ist, was bedeutet, dass beim Abkühlen auf Minustemperaturen mehr davon freigesetzt wird. Aus diesem Grund erfolgt die Aushärtung schneller.

Bisher haben Wissenschaftler dieses Rätsel nur theoretisch gelöst. Wenn sie überzeugende Beweise für ihre Version vorlegen, kann die Frage, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, als abgeschlossen betrachtet werden.

Wasser- Aus chemischer Sicht eine eher einfache Substanz, die jedoch eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften aufweist, die Wissenschaftler immer wieder in Erstaunen versetzen. Im Folgenden finden Sie einige Fakten, die nur wenige Menschen kennen.

1. Welches Wasser gefriert schneller – kalt oder heiß?

Nehmen wir zwei Behälter mit Wasser: Gießen Sie heißes Wasser in den einen und kaltes Wasser in den anderen und stellen Sie sie in den Gefrierschrank. Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser, obwohl kaltes Wasser der Logik nach zuerst zu Eis hätte werden sollen: Schließlich muss heißes Wasser zunächst auf die kalte Temperatur abkühlen und dann zu Eis werden, während dies bei kaltem Wasser nicht der Fall ist muss abkühlen. Warum passiert das?

Im Jahr 1963 bemerkte ein tansanischer Student namens Erasto B. Mpemba beim Einfrieren einer Eismischung, dass die heiße Mischung im Gefrierschrank schneller fest wurde als die kalte. Als der junge Mann seinem Physiklehrer seine Entdeckung erzählte, lachte er ihn nur aus. Glücklicherweise blieb der Schüler hartnäckig und überredete den Lehrer, ein Experiment durchzuführen, das seine Entdeckung bestätigte: Unter bestimmten Bedingungen gefriert heißes Wasser tatsächlich schneller als kaltes Wasser.

Dieses Phänomen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, wird nun „ Mpemba-Effekt" Zwar wurde diese einzigartige Eigenschaft des Wassers schon lange vor ihm von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt.

Wissenschaftler verstehen die Natur dieses Phänomens immer noch nicht vollständig und erklären es entweder mit der unterschiedlichen Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder mit der Wirkung von Flüssiggasen auf heißes und kaltes Wasser.

2. Es kann sofort einfrieren

Das weiß jeder Wasser Beim Abkühlen auf 0°C wird es immer zu Eis... mit einigen Ausnahmen! Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Unterkühlung. Dabei handelt es sich um die Eigenschaft von sehr reinem Wasser, auch bei Abkühlung unter den Gefrierpunkt flüssig zu bleiben. Dieses Phänomen wird dadurch ermöglicht, dass die Umgebung keine Kristallisationszentren oder Kristallisationskeime enthält, die die Bildung von Eiskristallen auslösen könnten. Und so bleibt Wasser auch bei einer Abkühlung auf unter null Grad Celsius flüssig.

Kristallisationsprozess kann beispielsweise durch Gasblasen, Verunreinigungen (Verunreinigungen) oder eine unebene Oberfläche des Behälters verursacht werden. Ohne sie bleibt Wasser in flüssigem Zustand. Wenn der Kristallisationsprozess beginnt, können Sie beobachten, wie sich das unterkühlte Wasser sofort in Eis verwandelt.

Beachten Sie, dass „überhitztes“ Wasser auch dann flüssig bleibt, wenn es über seinen Siedepunkt erhitzt wird.

3. 19 Wasserzustände

Nennen Sie ohne zu zögern, wie viele verschiedene Zustände Wasser hat? Wenn Sie auf drei geantwortet haben: fest, flüssig, gasförmig, dann haben Sie sich geirrt. Wissenschaftler unterscheiden mindestens 5 verschiedene Wasserzustände in flüssiger Form und 14 Zustände in gefrorener Form.

Erinnern Sie sich an das Gespräch über supergekühltes Wasser? Egal, was Sie tun, bei -38 °C wird selbst reinstes, supergekühltes Wasser plötzlich zu Eis. Was passiert, wenn die Temperatur weiter sinkt? Bei -120 °C passiert mit Wasser etwas Seltsames: Es wird superviskos oder zähflüssig, wie Melasse, und bei Temperaturen unter -135 °C verwandelt es sich in „glasartiges“ oder „glasartiges“ Wasser – eine feste Substanz ohne kristalline Struktur .

4. Wasser überrascht Physiker

Auf molekularer Ebene ist Wasser noch überraschender. Im Jahr 1995 brachte ein von Wissenschaftlern durchgeführtes Neutronenstreuexperiment ein unerwartetes Ergebnis: Physiker entdeckten, dass auf Wassermoleküle gerichtete Neutronen 25 % weniger Wasserstoffprotonen „sehen“ als erwartet.

Es stellte sich heraus, dass bei einer Geschwindigkeit von einer Attosekunde (10 -18 Sekunden) ein ungewöhnlicher Quanteneffekt stattfindet und stattdessen die chemische Formel von Wasser entsteht H2O, wird zu H1,5O!

5. Wassergedächtnis

Alternative zur offiziellen Medizin Homöopathie besagt, dass eine verdünnte Lösung eines Medikaments eine heilende Wirkung auf den Körper haben kann, selbst wenn der Verdünnungsfaktor so groß ist, dass in der Lösung außer Wassermolekülen nichts mehr übrig ist. Befürworter der Homöopathie erklären dieses Paradoxon mit einem Konzept namens „ Wassergedächtnis„, wonach Wasser auf molekularer Ebene ein „Gedächtnis“ an die einmal darin gelöste Substanz besitzt und die Eigenschaften der Lösung der ursprünglichen Konzentration beibehält, auch wenn kein einziges Molekül des Inhaltsstoffs darin verbleibt.

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professorin Madeleine Ennis von der Queen's University of Belfast, die die Prinzipien der Homöopathie kritisiert hatte, führte 2002 ein Experiment durch, um das Konzept ein für alle Mal zu widerlegen. Das Ergebnis war das Gegenteil. Danach erklärten die Wissenschaftler, dass sie in der Lage seien, die Realität des Effekts zu beweisen. Wassergedächtnis" Experimente, die unter der Aufsicht unabhängiger Experten durchgeführt wurden, brachten jedoch keine Ergebnisse. Streitigkeiten über die Existenz des Phänomens“ Wassergedächtnis"weitermachen.

Wasser hat viele andere ungewöhnliche Eigenschaften, über die wir in diesem Artikel nicht gesprochen haben. Beispielsweise ändert sich die Dichte von Wasser je nach Temperatur (die Dichte von Eis ist geringer als die Dichte von Wasser); Wasser hat eine ziemlich hohe Oberflächenspannung; Im flüssigen Zustand ist Wasser ein komplexes und sich dynamisch veränderndes Netzwerk von Wasserclustern, und es ist das Verhalten der Cluster, das die Struktur des Wassers usw. beeinflusst.

Über diese und viele andere unerwartete Funktionen Wasser nachzulesen im Artikel „ Anomale Eigenschaften von Wasser", verfasst von Martin Chaplin, Professor an der University of London.

Es scheint, dass die gute alte Formel H 2 O keine Geheimnisse birgt. Tatsächlich birgt Wasser – die Quelle des Lebens und die berühmteste Flüssigkeit der Welt – viele Geheimnisse, die selbst Wissenschaftler manchmal nicht lösen können.

Hier sind die 5 interessantesten Fakten über Wasser:

1. Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser

Im Jahr 1963 fror Erasto B. Mpemba, ein Gymnasiast in Tansania, eine Eismischung ein und bemerkte, dass die heiße Mischung im Gefrierschrank schneller fest wurde als die kalte. Als der junge Mann seinem Physiklehrer seine Entdeckung erzählte, lachte er ihn nur aus. Glücklicherweise blieb der Schüler hartnäckig und überredete den Lehrer, ein Experiment durchzuführen, das seine Entdeckung bestätigte: Unter bestimmten Bedingungen gefriert heißes Wasser tatsächlich schneller als kaltes Wasser.

Dieses Phänomen, bei dem heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, wird nun „Mpemba-Effekt“ genannt. Zwar wurde diese einzigartige Eigenschaft des Wassers schon lange vor ihm von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt.

Wissenschaftler verstehen die Natur dieses Phänomens immer noch nicht vollständig und erklären es entweder durch den Unterschied in Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder durch die Wirkung von Flüssiggasen auf heißes und kaltes Wasser.

Hinweis von X.RU zum Thema „Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser.“

Da uns als Kältespezialisten die Frage der Kühlung näher liegt, erlauben wir uns, etwas tiefer in den Kern dieses Problems einzutauchen und zwei Meinungen über die Natur eines solch mysteriösen Phänomens abzugeben.

1. Ein Wissenschaftler der University of Washington hat eine Erklärung für ein mysteriöses Phänomen vorgeschlagen, das seit der Zeit von Aristoteles bekannt ist: warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser.

Das als Mpemba-Effekt bezeichnete Phänomen wird in der Praxis häufig genutzt. Experten raten Autofahrern beispielsweise, im Winter kaltes und nicht heißes Wasser in den Waschwasserbehälter zu füllen. Doch was diesem Phänomen zugrunde liegt, blieb lange Zeit unbekannt.

Dr. Jonathan Katz von der University of Washington untersuchte dieses Phänomen und kam zu dem Schluss, dass im Wasser gelöste Stoffe, die beim Erhitzen ausfallen, eine wichtige Rolle spielen, berichtet EurekAlert.

Mit gelösten Stoffen meint Dr. Katz Kalzium- und Magnesiumbikarbonate, die in hartem Wasser vorkommen. Beim Erhitzen von Wasser fallen diese Stoffe aus und bilden Ablagerungen an den Wänden des Wasserkochers. Wasser, das nie erhitzt wurde, enthält diese Verunreinigungen. Durch das Gefrieren und die Bildung von Eiskristallen erhöht sich die Konzentration der Verunreinigungen im Wasser um das Fünfzigfache. Dadurch sinkt der Gefrierpunkt von Wasser. „Und jetzt muss das Wasser noch weiter abkühlen, um zu gefrieren“, erklärt Dr. Katz.

Es gibt einen zweiten Grund, der das Gefrieren von unbeheiztem Wasser verhindert. Durch die Senkung des Gefrierpunkts von Wasser verringert sich der Temperaturunterschied zwischen der festen und der flüssigen Phase. „Da die Geschwindigkeit, mit der Wasser Wärme verliert, von diesem Temperaturunterschied abhängt, kühlt sich Wasser, das nicht erhitzt wurde, weniger gut ab“, sagt Dr. Katz.

Nach Ansicht des Wissenschaftlers kann seine Theorie experimentell überprüft werden, weil Der Mpemba-Effekt macht sich bei härterem Wasser stärker bemerkbar.

2. Sauerstoff plus Wasserstoff plus Kälte erzeugen Eis. Auf den ersten Blick wirkt dieser transparente Stoff sehr einfach. In Wirklichkeit birgt Eis viele Geheimnisse. Das vom Afrikaner Erasto Mpemba geschaffene Eis dachte nicht an Ruhm. Die Tage waren heiß. Er wollte Eis am Stiel. Er nahm die Saftschachtel und stellte sie in den Gefrierschrank. Er hat das mehr als einmal gemacht und dabei festgestellt, dass der Saft besonders schnell gefriert, wenn man ihn zuerst in die Sonne hält – das heizt ihn richtig auf! Das ist seltsam, dachte der tansanische Schüler, der im Widerspruch zur Weltweisheit handelte. Ist es wirklich notwendig, die Flüssigkeit vorzuwärmen, damit sie schneller zu Eis wird? Der junge Mann war so überrascht, dass er seine Vermutung dem Lehrer mitteilte. Er berichtete über dieses Kuriosum in der Presse.

Diese Geschichte ereignete sich in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts. Mittlerweile ist der „Mpemba-Effekt“ den Wissenschaftlern wohlbekannt. Doch dieses scheinbar einfache Phänomen blieb lange Zeit ein Rätsel. Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser?

Erst 1996 fand der Physiker David Auerbach eine Lösung. Um diese Frage zu beantworten, führte er ein ganzes Jahr lang ein Experiment durch: Er erhitzte Wasser in einem Glas und kühlte es wieder ab. Was hat er also herausgefunden? Beim Erhitzen verdampfen im Wasser gelöste Luftblasen. Gasfreies Wasser gefriert leichter an den Gefäßwänden. „Natürlich gefriert auch Wasser mit hohem Luftanteil“, sagt Auerbach, „aber nicht bei null Grad Celsius, sondern erst bei minus vier bis sechs Grad.“ Natürlich müssen Sie länger warten. Heißes Wasser gefriert also vor kaltem Wasser, das ist eine wissenschaftliche Tatsache.

Kaum eine Substanz erscheint so leicht vor unseren Augen wie Eis. Es besteht nur aus Wassermolekülen – also Elementarmolekülen, die zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthalten. Allerdings ist Eis vielleicht die mysteriöseste Substanz im Universum. Wissenschaftler konnten einige seiner Eigenschaften noch nicht erklären.

2. Unterkühlung und „sofortiges“ Gefrieren

Jeder weiß, dass Wasser immer zu Eis wird, wenn es auf 0 °C abgekühlt wird ... außer in einigen Fällen! Ein Beispiel hierfür ist die „Unterkühlung“, bei der es sich um die Eigenschaft von sehr reinem Wasser handelt, auch bei Abkühlung unter den Gefrierpunkt flüssig zu bleiben. Dieses Phänomen wird dadurch ermöglicht, dass die Umgebung keine Kristallisationszentren oder Kristallisationskeime enthält, die die Bildung von Eiskristallen auslösen könnten. Und so bleibt Wasser auch bei einer Abkühlung auf unter null Grad Celsius flüssig. Der Kristallisationsprozess kann beispielsweise durch Gasblasen, Verunreinigungen (Verunreinigungen) oder eine unebene Oberfläche des Behälters ausgelöst werden. Ohne sie bleibt Wasser in flüssigem Zustand. Wenn der Kristallisationsprozess beginnt, können Sie beobachten, wie sich das unterkühlte Wasser sofort in Eis verwandelt.

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Kommentar.Überhitztes Wasser bleibt auch dann flüssig, wenn es über seinen Siedepunkt erhitzt wird.

3. „Glas“-Wasser

Nennen Sie schnell und ohne nachzudenken, wie viele verschiedene Zustände Wasser hat?

Wenn Sie drei Antworten gegeben haben (fest, flüssig, gasförmig), dann haben Sie sich geirrt. Wissenschaftler identifizieren mindestens fünf verschiedene Zustände von flüssigem Wasser und 14 Zustände von Eis.

Erinnern Sie sich an das Gespräch über supergekühltes Wasser? Egal was Sie tun, bei -38 °C wird selbst reinstes, supergekühltes Wasser plötzlich zu Eis. Was passiert bei weiterem Rückgang?

Temperatur? Bei -120 °C passiert mit Wasser etwas Seltsames: Es wird superviskos oder zähflüssig, wie Melasse, und bei Temperaturen unter -135 °C verwandelt es sich in „glasartiges“ oder „glasartiges“ Wasser – eine feste Substanz ohne kristalline Struktur .

4. Quanteneigenschaften von Wasser

Es stellte sich heraus, dass bei einer Geschwindigkeit von einer Attosekunde (10 -18 Sekunden) ein ungewöhnlicher Quanteneffekt stattfindet und die chemische Formel von Wasser anstelle der üblichen Formel - H 2 O - zu H 1,5 O wird!

5. Hat Wasser ein Gedächtnis?

Die Homöopathie, eine Alternative zur Schulmedizin, besagt, dass eine verdünnte Lösung eines Arzneimittels eine heilende Wirkung auf den Körper haben kann, selbst wenn der Verdünnungsfaktor so groß ist, dass außer Wassermolekülen nichts in der Lösung übrig bleibt. Befürworter der Homöopathie erklären dieses Paradoxon mit einem Konzept namens „Wassergedächtnis“, wonach Wasser auf molekularer Ebene ein „Gedächtnis“ an die einmal darin gelöste Substanz besitzt und die Eigenschaften der Lösung in der ursprünglichen Konzentration nach keiner einzigen Sekunde beibehält Molekül des Inhaltsstoffs verbleibt darin.

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Madeleine Ennis von der Queen's University of Belfast, die die Prinzipien der Homöopathie kritisierte, führte 2002 ein Experiment durch, um dieses Konzept endgültig zu widerlegen. Das Ergebnis war das Gegenteil konnten die Realität des „Wassergedächtnis“-Effekts nachweisen. Experimente unter der Aufsicht unabhängiger Experten brachten jedoch keine Ergebnisse. Die Debatte über die Existenz des „Wassergedächtnis“-Phänomens geht weiter.

Wasser hat viele andere ungewöhnliche Eigenschaften, über die wir in diesem Artikel nicht gesprochen haben.

Literatur.

1. 5 wirklich seltsame Dinge über Wasser / http://www.neatorama.com.
2. Das Geheimnis des Wassers: Die Theorie des Aristoteles-Mpemba-Effekts entstand / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Geheimnisse der unbelebten Natur. Die geheimnisvollste Substanz im Universum / http://www.bibliotekar.ru.

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