Welches heiße oder kalte Wasser gefriert schneller? Der Mpemba-Effekt oder warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Die Frage gibt es schon seit langem

Wasser ist eine der erstaunlichsten Flüssigkeiten der Welt, die ungewöhnliche Eigenschaften besitzt. Beispielsweise hat Eis, ein fester flüssiger Zustand, ein geringeres spezifisches Gewicht als Wasser selbst, was die Entstehung und Entwicklung von Leben auf der Erde weitgehend ermöglichte. Darüber hinaus gibt es in der pseudowissenschaftlichen und wissenschaftlichen Welt Diskussionen darüber, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt. Wer nachweisen kann, dass heiße Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert und seine Lösung wissenschaftlich untermauert, erhält von der britischen Royal Society of Chemists eine Belohnung von 1.000 £.

Hintergrund

Dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, wurde bereits im Mittelalter beobachtet. Francis Bacon und René Descartes haben sich viel Mühe gegeben, dieses Phänomen zu erklären. Aus Sicht der klassischen Wärmetechnik ist dieses Paradox jedoch nicht erklärbar und man hat versucht, es schüchtern zu vertuschen. Den Anstoß für die Fortsetzung der Debatte gab eine etwas merkwürdige Geschichte, die dem tansanischen Schüler Erasto Mpemba im Jahr 1963 widerfuhr. Eines Tages, während einer Unterrichtsstunde zum Zubereiten von Desserts an einer Kochschule, hatte der Junge, abgelenkt von anderen Dingen, keine Zeit, die Eismischung rechtzeitig abzukühlen und stellte eine heiße Zucker-Milch-Lösung in den Gefrierschrank. Zu seiner Überraschung kühlte das Produkt etwas schneller ab als das seiner Kommilitonen, die das Temperaturregime bei der Eiszubereitung beobachteten.

Um die Essenz des Phänomens zu verstehen, wandte sich der Junge an einen Physiklehrer, der, ohne ins Detail zu gehen, seine kulinarischen Experimente lächerlich machte. Erasto zeichnete sich jedoch durch beneidenswerte Hartnäckigkeit aus und setzte seine Experimente nicht mit Milch, sondern mit Wasser fort. Er kam zu der Überzeugung, dass heißes Wasser in manchen Fällen schneller gefriert als kaltes Wasser.

Nach seinem Eintritt in die Universität von Daressalam besuchte Erasto Mpembe einen Vortrag von Professor Dennis G. Osborne. Nach Abschluss stellte der Student den Wissenschaftler vor ein Problem mit der Geschwindigkeit des Gefrierens von Wasser in Abhängigkeit von seiner Temperatur. D.G. Osborne machte sich über die bloße Fragestellung lustig und erklärte mit Gelassenheit, dass jeder arme Student wisse, dass kaltes Wasser schneller gefriert. Allerdings machte sich die natürliche Hartnäckigkeit des jungen Mannes bemerkbar. Er schloss eine Wette mit dem Professor ab und schlug vor, hier im Labor einen experimentellen Test durchzuführen. Erasto stellte zwei Behälter mit Wasser in den Gefrierschrank, einen bei 95 °F (35 °C) und den anderen bei 212 °F (100 °C). Stellen Sie sich die Überraschung des Professors und der umstehenden „Fans“ vor, als das Wasser im zweiten Behälter schneller gefror. Seitdem wird dieses Phänomen als „Mpemba-Paradoxon“ bezeichnet.

Allerdings gibt es bisher keine kohärente theoretische Hypothese, die das „Mpemba-Paradoxon“ erklärt. Es ist nicht klar, welche äußeren Faktoren, die chemische Zusammensetzung des Wassers, das Vorhandensein darin gelöster Gase und Mineralien, die Gefriergeschwindigkeit von Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen beeinflussen. Das Paradoxe am „Mpemba-Effekt“ besteht darin, dass er einem der von I. Newton entdeckten Gesetze widerspricht, wonach die Abkühlzeit von Wasser direkt proportional zum Temperaturunterschied zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung ist. Und wenn alle anderen Flüssigkeiten diesem Gesetz vollständig gehorchen, dann ist Wasser in manchen Fällen eine Ausnahme.

Warum gefriert heißes Wasser schneller?T

Es gibt verschiedene Versionen, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Die wichtigsten sind:

• heißes Wasser verdunstet schneller, während sein Volumen abnimmt und ein kleineres Flüssigkeitsvolumen schneller abkühlt – beim Kühlen von Wasser von + 100 °C auf 0 °C erreichen die Volumenverluste bei Atmosphärendruck 15 %;
• Je größer der Temperaturunterschied, desto höher ist die Intensität des Wärmeaustauschs zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung, sodass der Wärmeverlust von kochendem Wasser schneller erfolgt.
• Wenn heißes Wasser abkühlt, bildet sich auf seiner Oberfläche eine Eiskruste, die verhindert, dass die Flüssigkeit vollständig gefriert und verdunstet.
• Bei hohen Wassertemperaturen kommt es zu einer Konvektionsmischung, die die Gefrierzeit verkürzt.
• In Wasser gelöste Gase senken den Gefrierpunkt und entziehen Energie für die Kristallbildung – in heißem Wasser sind keine gelösten Gase enthalten.

Alle diese Bedingungen wurden wiederholt experimentell getestet. Insbesondere der deutsche Wissenschaftler David Auerbach entdeckte, dass die Kristallisationstemperatur von heißem Wasser etwas höher ist als die von kaltem Wasser, was dazu führt, dass ersteres schneller gefriert. Später wurden seine Experimente jedoch kritisiert und viele Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass der „Mpemba-Effekt“, der bestimmt, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt – nur unter bestimmten Bedingungen reproduziert werden kann, nach denen bisher niemand gesucht und spezifiziert hat.

Das stimmt, obwohl es unglaublich klingt, denn während des Gefriervorgangs muss vorgewärmtes Wasser die Temperatur von kaltem Wasser überschreiten. Mittlerweile wird dieser Effekt vielfach genutzt: Beispielsweise werden Eisbahnen und Rutschen im Winter mit heißem statt mit kaltem Wasser gefüllt. Experten raten Autofahrern, im Winter kaltes und nicht heißes Wasser in den Waschwasserbehälter zu füllen. Das Paradoxon ist weltweit als „Mpemba-Effekt“ bekannt.

Dieses Phänomen wurde einst von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes erwähnt, aber erst 1963 widmeten sich Physikprofessoren ihm und versuchten, es zu untersuchen. Alles begann damit, dass der tansanische Schüler Erasto Mpemba bemerkte, dass die gesüßte Milch, die er zur Herstellung von Eiscreme verwendete, schneller gefror, wenn sie vorgewärmt wurde, und die Hypothese aufstellte, dass heißes Wasser schneller gefror als kaltes Wasser. Er wandte sich zur Klärung an den Physiklehrer, lachte den Schüler jedoch nur aus und sagte: „Das ist keine universelle Physik, sondern Mpemba-Physik.“

Glücklicherweise besuchte eines Tages Dennis Osborne, ein Physikprofessor der Universität Daressalam, die Schule. Und Mpemba wandte sich mit derselben Frage an ihn. Der Professor war weniger skeptisch, sagte, er könne etwas, was er noch nie gesehen habe, nicht beurteilen und bat nach seiner Rückkehr nach Hause seine Mitarbeiter, entsprechende Experimente durchzuführen. Sie schienen die Worte des Jungen zu bestätigen. Auf jeden Fall sprach Osborne 1969 in der englischen Zeitschrift über die Zusammenarbeit mit Mpemba. PhysikAusbildung" Im selben Jahr veröffentlichte George Kell vom kanadischen National Research Council einen Artikel, der das Phänomen auf Englisch beschrieb. amerikanischTagebuchvonPhysik».

Für dieses Paradoxon gibt es mehrere mögliche Erklärungen:

• Heißes Wasser verdunstet schneller und verringert dadurch sein Volumen, und eine kleinere Wassermenge bei gleicher Temperatur gefriert schneller. Kaltes Wasser sollte in luftdichten Behältern schneller gefrieren.
• Verfügbarkeit von Schneedecken. Ein Behälter mit heißem Wasser schmilzt den darunter liegenden Schnee und verbessert so den thermischen Kontakt zur Kühlfläche. Kaltes Wasser schmilzt den Schnee darunter nicht. Wenn keine Schneedecke vorhanden ist, sollte der Kaltwasserbehälter schneller gefrieren.
• 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. Durch zusätzliche mechanische Durchmischung des Wassers in Behältern sollte kaltes Wasser schneller gefrieren.
• Das Vorhandensein von Kristallisationszentren im gekühlten Wasser – darin gelöste Stoffe. Bei einer geringen Anzahl solcher Zentren in kaltem Wasser ist die Umwandlung von Wasser in Eis schwierig und sogar eine Unterkühlung ist möglich, wenn es in flüssigem Zustand bleibt und eine Temperatur unter Null hat.

Eine weitere Erklärung wurde kürzlich veröffentlicht. 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, dabei eine wichtige Rolle spielen.
Mit gelösten Stoffen meint Dr. Katz Kalzium- und Magnesiumbikarbonate, die in hartem Wasser vorkommen. Beim Erhitzen von Wasser fallen diese Stoffe aus und das Wasser wird „weich“. Wasser, das nie erhitzt wurde, enthält diese Verunreinigungen und ist „hart“. 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.

Diese Erklärung erscheint mir nicht überzeugend, denn... Wir dürfen nicht vergessen, dass der Effekt bei Experimenten mit Eiscreme und nicht bei hartem Wasser entdeckt wurde. Höchstwahrscheinlich sind die Ursachen des Phänomens thermophysikalischer und nicht chemischer Natur.

Bisher konnte keine eindeutige Erklärung für Mpembas Paradoxon gefunden werden. Es muss gesagt werden, dass einige Wissenschaftler dieses Paradoxon nicht für beachtenswert halten. Es ist jedoch sehr interessant, dass ein einfacher Schüler aufgrund seiner Neugier und Ausdauer die physikalische Wirkung erkannte und an Popularität gewann.

Hinzugefügt im Februar 2014

Die Notiz wurde 2011 verfasst. Seitdem sind neue Studien zum Mpemba-Effekt und neue Erklärungsversuche erschienen. Deshalb schrieb die Royal Society of Chemistry of Great Britain 2012 einen internationalen Wettbewerb zur Lösung des wissenschaftlichen Rätsels „Mpemba-Effekt“ mit einem Preisgeld von 1000 Pfund aus. Als Frist wurde der 30. Juli 2012 festgelegt. Der Gewinner war Nikola Bregovic vom Labor der Universität Zagreb. Er veröffentlichte seine Arbeit, in der er frühere Erklärungsversuche für dieses Phänomen analysierte und zu dem Schluss kam, dass diese nicht überzeugend waren. Das von ihm vorgeschlagene Modell basiert auf den grundlegenden Eigenschaften von Wasser. Interessierte finden einen Job unter http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp

Damit war die Forschung noch nicht beendet. Im Jahr 2013 haben Physiker aus Singapur die Ursache des Mepemba-Effekts theoretisch nachgewiesen. Die Arbeit ist unter http://arxiv.org/abs/1310.6514 zu finden.

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Kommentare:

Alexey Mischnew. , 06.10.2012 04:14

Warum verdunstet heißes Wasser schneller? Wissenschaftler haben praktisch bewiesen, dass ein Glas heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wissenschaftler können dieses Phänomen nicht erklären, weil sie das Wesen der Phänomene nicht verstehen: Hitze und Kälte! Wärme und Kälte sind physikalische Empfindungen, die die Wechselwirkung von Materieteilchen in Form einer Gegenkompression magnetischer Wellen bewirken, die sich vom Weltraum und vom Erdmittelpunkt aus bewegen. Je größer also die Potentialdifferenz dieser magnetischen Spannung ist, desto schneller erfolgt der Energieaustausch durch die Methode des Gegendurchdringens einer Welle in eine andere. Das heißt, nach der Diffusionsmethode! Als Antwort auf meinen Artikel schreibt ein Gegner: 1) „..Heißes Wasser verdunstet SCHNELLER, wodurch weniger davon übrig bleibt und es schneller gefriert.“ Frage! Welche Energie lässt Wasser schneller verdunsten? 2) In meinem Artikel geht es um ein Glas und nicht um einen Holztrog, den der Gegner als Gegenargument anführt. Was nicht richtig ist! Ich beantworte die Frage: „Warum verdunstet Wasser in der Natur?“ Magnetische Wellen, die sich immer vom Erdmittelpunkt in den Weltraum bewegen, überwinden den Gegendruck magnetischer Kompressionswellen (die sich immer vom Weltraum zum Erdmittelpunkt bewegen) und versprühen gleichzeitig Wasserpartikel, da sie sich in den Weltraum bewegen , sie nehmen an Volumen zu. Das heißt, sie expandieren! Werden die magnetischen Kompressionswellen überwunden, werden diese Wasserdämpfe komprimiert (kondensiert) und unter dem Einfluss dieser magnetischen Kompressionskräfte kehrt das Wasser in Form von Niederschlag zur Erde zurück! Aufrichtig! Alexey Mischnew. 6. Oktober 2012.

Alexey Mischnew. , 06.10.2012 04:19

Was ist Temperatur? Die Temperatur ist der Grad der elektromagnetischen Spannung magnetischer Wellen mit Kompressions- und Expansionsenergie. Bei einem Gleichgewichtszustand dieser Energien befindet sich die Temperatur des Körpers oder Stoffes in einem stabilen Zustand. Wenn der Gleichgewichtszustand dieser Energien in Richtung der Expansionsenergie gestört ist, vergrößert sich der Körper oder die Substanz im Raumvolumen. Übersteigt die Energie magnetischer Wellen in Kompressionsrichtung, verkleinert sich der Körper oder die Substanz im Raumvolumen. Der Grad der elektromagnetischen Spannung wird durch den Grad der Ausdehnung bzw. Kompression des Referenzkörpers bestimmt. Alexey Mischnew.

Moiseeva Natalia, 23.10.2012 11:36 | VNIIM

Alexey, Sie sprechen über einen Artikel, der Ihre Gedanken zum Konzept der Temperatur darlegt. Aber niemand hat es gelesen. Bitte geben Sie mir einen Link. Im Allgemeinen sind Ihre Ansichten zur Physik sehr einzigartig. Von „elektromagnetischer Ausdehnung eines Referenzkörpers“ habe ich noch nie gehört.

Yuri Kuznetsov, 04.12.2012 12:32

Es wird die Hypothese aufgestellt, dass dies auf intermolekulare Resonanz und die dadurch erzeugte Ponderomotorische Anziehung zwischen Molekülen zurückzuführen ist. In kaltem Wasser bewegen und vibrieren Moleküle chaotisch mit unterschiedlichen Frequenzen. Wenn Wasser erhitzt wird, verengt sich mit zunehmender Schwingungsfrequenz ihr Bereich (der Frequenzunterschied von flüssigem heißem Wasser bis zum Verdampfungspunkt nimmt ab), die Schwingungsfrequenzen der Moleküle nähern sich einander an, wodurch Resonanz entsteht findet zwischen den Molekülen statt. Beim Abkühlen bleibt diese Resonanz teilweise erhalten und verschwindet nicht sofort. Versuchen Sie, eine der beiden Gitarrensaiten zu drücken, die in Resonanz sind. Lassen Sie nun los – die Saite beginnt wieder zu schwingen, die Resonanz stellt ihre Schwingungen wieder her. Ebenso versuchen in gefrorenem Wasser die äußeren gekühlten Moleküle, die Amplitude und Frequenz der Schwingungen zu verlieren, aber die „warmen“ Moleküle im Inneren des Gefäßes „ziehen“ die Schwingungen zurück und wirken als Vibratoren und die äußeren als Resonatoren. Zwischen Vibratoren und Resonatoren entsteht eine Ponderomotorische Anziehung*. Wenn die Ponderomotorik größer wird als die Kraft, die durch die kinetische Energie der Moleküle (die nicht nur vibrieren, sondern sich auch linear bewegen) verursacht wird, kommt es zu einer beschleunigten Kristallisation – dem „Mpemba-Effekt“. Die Ponderomotor-Verbindung ist sehr instabil, der Mpemba-Effekt hängt stark von allen damit verbundenen Faktoren ab: der zu gefrierenden Wassermenge, der Art ihrer Erwärmung, Gefrierbedingungen, Temperatur, Konvektion, Wärmeaustauschbedingungen, Gassättigung, Vibration der Kühleinheit , Belüftung, Verunreinigungen, Verdunstung usw. Möglicherweise sogar durch Beleuchtung... Daher gibt es für den Effekt viele Erklärungen und er ist manchmal schwer zu reproduzieren. Aus dem gleichen „Resonanz“-Grund kocht gekochtes Wasser schneller als ungekochtes Wasser – die Resonanz behält die Intensität der Schwingungen der Wassermoleküle für einige Zeit nach dem Kochen bei (der Energieverlust beim Abkühlen ist hauptsächlich auf den Verlust der kinetischen Energie der linearen Bewegung zurückzuführen). von Molekülen). Bei starker Erwärmung wechseln Vibratormoleküle im Vergleich zum Gefrieren ihre Rollen mit Resonatormolekülen – die Frequenz der Vibratoren ist geringer als die Frequenz der Resonatoren, was bedeutet, dass zwischen den Molekülen keine Anziehung, sondern eine Abstoßung auftritt, was den Übergang in einen anderen Zustand beschleunigt der Aggregation (Paar).

Vlad, 11.12.2012 03:42

Hat mir das Gehirn gebrochen...

Anton, 04.02.2013 02:02

1. Ist diese Ponderomotive-Anziehung wirklich so groß, dass sie den Wärmeübertragungsprozess beeinflusst? 2. Bedeutet das, dass bei Erwärmung aller Körper auf eine bestimmte Temperatur ihre Strukturteilchen in Resonanz geraten? 3. Warum verschwindet diese Resonanz beim Abkühlen? 4. Ist das Ihre Vermutung? Wenn es eine Quelle gibt, bitte angeben. 5. Nach dieser Theorie spielt die Form des Gefäßes eine wichtige Rolle, und wenn es dünn und flach ist, wird der Unterschied in der Gefrierzeit nicht groß sein, d. h. Sie können dies überprüfen.

Gudrat, 11.03.2013 10:12 | METAK

In kaltem Wasser sind bereits Stickstoffatome vorhanden und die Abstände zwischen den Wassermolekülen sind geringer als in heißem Wasser. Das heißt, das Fazit: Heißes Wasser nimmt Stickstoffatome schneller auf und gefriert gleichzeitig schneller als kaltes Wasser – das ist vergleichbar mit der Verfestigung von Eisen, da heißes Wasser zu Eis wird und heißes Eisen bei schneller Abkühlung aushärtet!

Wladimir, 13.03.2013 06:50

oder vielleicht das: Die Dichte von heißem Wasser und Eis ist geringer als die Dichte von kaltem Wasser, und daher muss das Wasser seine Dichte nicht ändern, es verliert etwas Zeit und gefriert.

Alexey Mishnev, 21.03.2013 11:50

Bevor wir über Resonanzen, Anziehungen und Schwingungen von Teilchen sprechen, müssen wir die Frage verstehen und beantworten: Welche Kräfte bringen Teilchen zum Schwingen? Denn ohne kinetische Energie kann es keine Kompression geben. Ohne Komprimierung kann es keine Expansion geben. Ohne Expansion kann es keine kinetische Energie geben! Wenn man über die Resonanz von Saiten spricht, versucht man zunächst, eine dieser Saiten zum Schwingen zu bringen! Wenn man von Anziehung spricht, muss man zunächst die Kraft angeben, die diese Körper anzieht! Ich behaupte, dass alle Körper durch die elektromagnetische Energie der Atmosphäre komprimiert werden und diese alle Körper, Stoffe und Elementarteilchen mit einer Kraft von 1,33 kg komprimiert. nicht pro cm2, sondern pro Elementarteilchen. Da der atmosphärische Druck nicht selektiv sein kann! Nicht zu verwechseln mit der Kraftmenge!

Dodik, 31.05.2013 02:59

Es scheint mir, dass Sie eine Wahrheit vergessen haben: „Wissenschaft beginnt dort, wo Messungen beginnen.“ Welche Temperatur hat das „heiße“ Wasser? Welche Temperatur hat das „kalte“ Wasser? Darüber verliert der Artikel kein Wort. Daraus können wir schließen: Der ganze Artikel ist Schwachsinn!

Grigory, 06.04.2013 12:17

Dodik, bevor Sie einen Artikel als Unsinn bezeichnen, müssen Sie zumindest ein wenig über das Lernen nachdenken. Und nicht nur messen.

Dmitry, 24.12.2013 10:57

Heiße Wassermoleküle bewegen sich schneller als in kaltem Wasser, dadurch besteht ein engerer Kontakt mit der Umgebung, sie scheinen die gesamte Kälte zu absorbieren und verlangsamen sich schnell.

Ivan, 10.01.2014 05:53

Es ist überraschend, dass ein solch anonymer Artikel auf dieser Website erscheint. Der Artikel ist völlig unwissenschaftlich. Sowohl der Autor als auch die Kommentatoren wetteifern miteinander auf der Suche nach einer Erklärung für das Phänomen, ohne sich die Mühe zu machen, herauszufinden, ob das Phänomen überhaupt beobachtet wird und, wenn es beobachtet wird, unter welchen Bedingungen. Darüber hinaus besteht nicht einmal eine Einigkeit darüber, was wir tatsächlich beobachten! Daher besteht der Autor auf der Notwendigkeit, den Effekt des schnellen Einfrierens von heißem Eis zu erklären, obwohl aus dem gesamten Text (und den Worten „Der Effekt wurde bei Experimenten mit Eis entdeckt“) hervorgeht, dass er selbst keine solchen Experimente durchgeführt hat Experimente. Aus den im Artikel aufgeführten Möglichkeiten zur „Erklärung“ des Phänomens wird deutlich, dass es sich um völlig unterschiedliche Experimente handelt, die unter unterschiedlichen Bedingungen mit unterschiedlichen wässrigen Lösungen durchgeführt wurden. Sowohl der Kern der Erläuterungen als auch die darin enthaltene Konjunktivstimmung legen den Schluss nahe, dass nicht einmal eine grundsätzliche Überprüfung der geäußerten Gedanken vorgenommen wurde. Jemand hörte zufällig eine lustige Geschichte und äußerte beiläufig seine spekulative Schlussfolgerung. Entschuldigung, aber das ist keine physikalisch-wissenschaftliche Studie, sondern ein Gespräch in einem Raucherzimmer.

Ivan, 10.01.2014 06:10

Zu den Kommentaren im Artikel zum Befüllen der Walzen mit heißem Wasser und der Scheibenwaschbehälter mit kaltem Wasser. Aus elementarphysikalischer Sicht ist hier alles einfach. Die Eisbahn ist gerade deshalb mit heißem Wasser gefüllt, weil es langsamer gefriert. Die Eisbahn muss eben und glatt sein. Versuchen Sie, es mit kaltem Wasser zu füllen – es kommt zu Beulen und „Schwellungen“, weil... Das Wasser gefriert _schnell_, ohne Zeit zu haben, sich in einer gleichmäßigen Schicht auszubreiten. Und das Heiße wird Zeit haben, sich in einer gleichmäßigen Schicht auszubreiten und die vorhandenen Eis- und Schneehöcker zu schmelzen. Auch die Waschmaschine ist nicht schwer: Bei kaltem Wetter macht es keinen Sinn, sauberes Wasser einzuschenken – es gefriert auf dem Glas (sogar heiß); und eine heiße, nicht gefrierende Flüssigkeit kann dazu führen, dass kaltes Glas bricht, außerdem hat das Glas aufgrund der beschleunigten Verdunstung von Alkoholen auf dem Weg zum Glas einen erhöhten Gefrierpunkt (ist jeder mit dem Funktionsprinzip einer Mondscheindestille vertraut?). ? - der Alkohol verdunstet, das Wasser bleibt zurück).

Ivan, 10.01.2014 06:34

Aber im Kern des Phänomens ist es dumm zu fragen, warum zwei verschiedene Experimente unter unterschiedlichen Bedingungen unterschiedlich verlaufen. Wenn das Experiment rein durchgeführt wird, müssen Sie heißes und kaltes Wasser mit der gleichen chemischen Zusammensetzung nehmen – wir nehmen vorgekühltes kochendes Wasser aus demselben Wasserkocher. In identische Gefäße (zum Beispiel dünnwandige Gläser) füllen. Wir stellen es nicht auf den Schnee, sondern auf eine ebenso ebene, trockene Unterlage, zum Beispiel einen Holztisch. Und zwar nicht in einem Mikro-Gefrierschrank, sondern in einem ziemlich voluminösen Thermostat – ich habe vor ein paar Jahren auf der Datscha ein Experiment durchgeführt, als das Wetter draußen stabil und frostig war, etwa -25 °C. Wasser kristallisiert bei einer bestimmten Temperatur nach Abgabe der Kristallisationswärme. Die Hypothese läuft auf die Aussage hinaus, dass heißes Wasser schneller abkühlt (das stimmt, gemäß der klassischen Physik ist die Wärmeübertragungsrate proportional zur Temperaturdifferenz), behält aber eine erhöhte Abkühlrate bei, selbst wenn seine Temperatur gleich wird Temperatur von kaltem Wasser. Die Frage ist: Wie unterscheidet sich Wasser, das draußen auf eine Temperatur von +20 °C abgekühlt ist, von genau demselben Wasser, das eine Stunde zuvor in einem Raum auf eine Temperatur von +20 °C abgekühlt ist? Die klassische Physik (die übrigens nicht auf Geschwätz im Raucherzimmer, sondern auf Hunderttausenden und Millionen Experimenten basiert) sagt: Nichts, die weitere Dynamik der Abkühlung wird dieselbe sein (nur das kochende Wasser wird den +20-Punkt erreichen). später). Und das Experiment zeigt dasselbe: Als ein Glas anfangs kaltes Wasser bereits eine starke Eiskruste aufwies, dachte das heiße Wasser noch nicht einmal ans Gefrieren. P.S. Zu den Kommentaren von Yuri Kuznetsov. Das Vorliegen einer bestimmten Wirkung gilt dann als erwiesen, wenn die Bedingungen ihres Auftretens beschrieben werden und diese konsequent reproduziert wird. Und wenn wir unbekannte Experimente mit unbekannten Bedingungen haben, ist es verfrüht, Theorien zu entwickeln, um sie zu erklären, und das bringt aus wissenschaftlicher Sicht nichts. P.P.S. Nun, es ist unmöglich, Alexei Mishnevs Kommentare ohne Tränen der Zärtlichkeit zu lesen – ein Mensch lebt in einer Art fiktiver Welt, die nichts mit Physik und echten Experimenten zu tun hat.

Gregory, 13.01.2014 10:58

Ivan, ich verstehe, dass du den Mpemba-Effekt widerlegst? Es existiert nicht, wie Ihre Experimente zeigen? Warum ist es in der Physik so berühmt und warum versuchen viele, es zu erklären?

Ivan, 14.02.2014 01:51

Guten Tag, Gregory! Die Wirkung eines unreinen Experiments existiert. Aber wie Sie wissen, ist dies kein Grund, nach neuen Gesetzen in der Physik zu suchen, sondern ein Grund, die Fähigkeiten eines Experimentators zu verbessern. Wie ich in den Kommentaren bereits angemerkt habe, können die Forscher bei allen genannten Erklärungsversuchen zum „Mpemba-Effekt“ nicht einmal klar formulieren, was genau und unter welchen Bedingungen sie messen. Und Sie wollen sagen, dass das Experimentalphysiker sind? Bring mich nicht zum Lachen. Der Effekt ist nicht in der Physik bekannt, sondern in pseudowissenschaftlichen Diskussionen in verschiedenen Foren und Blogs, von denen es mittlerweile ein Meer gibt. Von Menschen, die weit von der Physik entfernt sind, wird es als realer physikalischer Effekt wahrgenommen (im Sinne einiger neuer physikalischer Gesetze und nicht als Folge einer falschen Interpretation oder nur eines Mythos). Es gibt also keinen Grund, die Ergebnisse verschiedener Experimente, die unter völlig unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt wurden, als einen einzigen physikalischen Effekt zu bezeichnen.

Pavel, 18.02.2014 09:59

hmm, Leute... Artikel für „Speed-Info“… Nichts für ungut… ;) Ivan hat in allem recht…

Grigory, 19.02.2014 12:50

Ivan, ich stimme zu, dass es mittlerweile viele pseudowissenschaftliche Seiten gibt, die unbestätigtes Sensationsmaterial veröffentlichen.? Schließlich wird der Mpemba-Effekt noch untersucht. Darüber hinaus forschen Wissenschaftler von Universitäten. Beispielsweise wurde dieser Effekt 2013 von einer Gruppe der University of Technology in Singapur untersucht. Schauen Sie sich den Link http://arxiv.org/abs/1310.6514 an. Sie glauben, eine Erklärung für diesen Effekt gefunden zu haben. Ich werde nicht im Detail über das Wesentliche der Entdeckung schreiben, aber ihrer Meinung nach hängt der Effekt mit dem Unterschied in den in Wasserstoffbrückenbindungen gespeicherten Energien zusammen.

Moiseeva N.P. , 19.02.2014 03:04

Für alle, die sich für die Erforschung des Mpemba-Effekts interessieren, habe ich das Material im Artikel leicht ergänzt und Links bereitgestellt, über die Sie sich mit den neuesten Ergebnissen vertraut machen können (siehe Text). Danke für deine Kommentare.

Ildar, 24.02.2014 04:12 | Es hat keinen Sinn, alles aufzulisten

Wenn dieser Mpemba-Effekt tatsächlich auftritt, muss die Erklärung meines Erachtens in der molekularen Struktur des Wassers gesucht werden. Wasser (wie ich aus der populärwissenschaftlichen Literatur erfahren habe) existiert nicht als einzelne H2O-Moleküle, sondern als Cluster mehrerer Moleküle (sogar Dutzende). Wenn die Temperatur des Wassers steigt, erhöht sich die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle, die Cluster brechen gegeneinander auf und die Valenzbindungen der Moleküle haben keine Zeit, große Cluster zusammenzubauen. Die Bildung von Clustern dauert etwas länger als die Verringerung der Geschwindigkeit der Molekülbewegung. Und da die Cluster kleiner sind, erfolgt die Bildung des Kristallgitters schneller. In kaltem Wasser verhindern offenbar große, recht stabile Cluster die Bildung eines Gitters; es dauert einige Zeit, sie zu zerstören. Ich selbst habe im Fernsehen einen merkwürdigen Effekt gesehen, als kaltes Wasser, ruhig in einem Glas stehend, mehrere Stunden lang in der Kälte flüssig blieb. Aber sobald man das Glas aufhob, also leicht von seinem Platz bewegte, kristallisierte das Wasser im Glas sofort, wurde undurchsichtig und das Glas platzte. Nun, der Priester, der diese Wirkung zeigte, erklärte es damit, dass das Wasser gesegnet sei. Es zeigt sich übrigens, dass Wasser seine Viskosität je nach Temperatur stark verändert. Dies ist für uns als große Lebewesen nicht wahrnehmbar, aber auf der Ebene kleiner (mm oder kleiner) Krebstiere und noch mehr Bakterien ist die Viskosität von Wasser ein sehr wichtiger Faktor. Ich denke, diese Viskosität wird auch von der Größe der Wassercluster bestimmt.

GRAU, 15.03.2014 05:30

Alles um uns herum, was wir sehen, sind oberflächliche Merkmale (Eigenschaften), daher akzeptieren wir als Energie nur das, was wir messen oder seine Existenz auf irgendeine Weise beweisen können, sonst ist es eine Sackgasse. Dieses Phänomen, der Mpemba-Effekt, kann nur durch eine einfache volumetrische Theorie erklärt werden, die alle physikalischen Modelle in einer einzigen Interaktionsstruktur vereint. es ist eigentlich einfach

Nikita, 06.06.2014 04:27 | Auto

Doch wie sorgt man dafür, dass das Wasser beim Autofahren eher kalt als warm bleibt?

Alexey, 03.10.2014 01:09

Hier ist eine weitere „Entdeckung“ unterwegs. Wasser in einer Plastikflasche gefriert bei geöffnetem Verschluss viel schneller. Zum Spaß habe ich das Experiment mehrmals bei starkem Frost durchgeführt. Der Effekt ist offensichtlich. Hallo Theoretiker!

Evgeniy, 27.12.2014 08:40

Das Prinzip eines Verdunstungskühlers. Wir nehmen zwei hermetisch verschlossene Flaschen mit kaltem und heißem Wasser. Wir legen es in die Kälte. Kaltes Wasser gefriert schneller. Nun nehmen wir die gleichen Flaschen mit kaltem und heißem Wasser, öffnen sie und stellen sie ins Kalte. Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Wenn wir zwei Becken mit kaltem und heißem Wasser nehmen, gefriert das heiße Wasser viel schneller. Dies liegt daran, dass wir zunehmend mit der Atmosphäre in Kontakt kommen. Je intensiver die Verdunstung, desto schneller sinkt die Temperatur. Hier müssen wir den Feuchtigkeitsfaktor erwähnen. Je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto stärker die Verdunstung und desto stärker die Abkühlung.

grau TOMSK, 01.03.2015 10:55

GRAY, 15.03.2014 05:30 – Fortsetzung Was Sie über Temperatur wissen, ist nicht alles. Da ist noch etwas anderes. Wenn Sie ein physikalisches Temperaturmodell richtig konstruieren, wird es zum Schlüssel zur Beschreibung von Energieprozessen von Diffusion, Schmelzen und Kristallisation bis hin zu Skalen wie einem Temperaturanstieg bei einem Druckanstieg und einem Druckanstieg bei einem Temperaturanstieg. Sogar das physikalische Modell der Sonnenenergie wird aus dem oben Gesagten deutlich. Ich bin im Winter. . Im Frühjahr 20013 habe ich mir Temperaturmodelle angesehen und ein allgemeines Temperaturmodell erstellt. Ein paar Monate später erinnerte ich mich an das Temperaturparadoxon und dann wurde mir klar, dass mein Temperaturmodell auch das Mpemba-Paradoxon beschreibt. Das war im Mai - Juni 2013. Ich bin ein Jahr zu spät, aber es ist das Beste. Mein physisches Modell ist ein Standbild, das sowohl vorwärts als auch rückwärts zurückgespult werden kann und motorische Aktivität enthält, dieselbe Aktivität, bei der sich alles bewegt. Ich habe 8 Jahre Schule und 2 Jahre College mit einer Wiederholung des Themas. 20 Jahre sind vergangen. Daher kann ich berühmten Wissenschaftlern keine physikalischen Modelle zuschreiben, noch kann ich Formeln zuordnen. So leid.

Andrey, 08.11.2015 08:52

Im Allgemeinen habe ich eine Vorstellung davon, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Und in meinen Erklärungen ist alles ganz einfach, wenn Sie Interesse haben, schreiben Sie mir per E-Mail: [email protected]

Andrej, 08.11.2015 08:58

Es tut mir leid, ich habe die falsche E-Mail-Adresse angegeben. Hier ist die richtige E-Mail: [email protected]

Victor, 23.12.2015 10:37

Es scheint mir, dass alles einfacher ist, hier fällt Schnee, es ist verdampftes Gas, gekühlt, also kühlt das heiße vielleicht bei kaltem Wetter schneller ab, weil es verdunstet und sofort kristallisiert, ohne weit aufzusteigen, und Wasser im gasförmigen Zustand kühlt schneller ab als im flüssigen Zustand)

Bekzhan, 28.01.2016 09:18

Selbst wenn jemand diese Gesetze der Welt, die mit diesen Effekten verbunden sind, offenbart hätte, hätte er hier nicht geschrieben. Aus meiner Sicht wäre es nicht logisch, seine Geheimnisse den Internetnutzern preiszugeben, wenn er sie in berühmten wissenschaftlichen Publikationen veröffentlichen kann Zeitschriften und beweisen Sie es persönlich vor den Menschen. Was hier also über diesen Effekt geschrieben wird, ist größtenteils nicht logisch.)))

Alex, 22.02.2016 12:48

Hallo Experimentatoren, Sie haben Recht, wenn Sie sagen, dass die Wissenschaft dort beginnt, wo... nicht Messungen, sondern Berechnungen. „Experiment“ ist ein ewiges und unverzichtbares Argument für diejenigen, denen Vorstellungskraft und lineares Denken fehlen. Es hat alle beleidigt, jetzt im Fall von E=mc2 – erinnern sich alle? Die Geschwindigkeit von Molekülen, die aus kaltem Wasser in die Atmosphäre fliegen, bestimmt die Energiemenge, die sie vom Wasser abführen (Abkühlung ist ein Energieverlust). Die Geschwindigkeit von Molekülen aus heißem Wasser ist viel höher und die abgeführte Energie ist quadratisch ( die Abkühlungsrate der verbleibenden Wassermasse) Das ist alles, wenn Sie vom „Experimentieren“ wegkommen und sich an die grundlegenden Grundlagen der Wissenschaft erinnern

Wladimir, 25.04.2016 10:53 | Meteo

In jenen Tagen, als Frostschutzmittel selten waren, wurde das Wasser aus dem Kühlsystem von Autos in einer ungeheizten Garage nach einem Arbeitstag abgelassen, um den Zylinderblock oder den Kühler – manchmal auch beides zusammen – nicht abzutauen. Am Morgen wurde heißes Wasser gegossen. Bei starkem Frost sprangen die Motoren problemlos an. Irgendwie wurde wegen des Mangels an heißem Wasser Wasser aus dem Wasserhahn gegossen. Das Wasser gefror sofort. Das Experiment war teuer – genau so viel, wie der Kauf und Austausch des Zylinderblocks und Kühlers eines ZIL-131-Autos kostet. Wer es nicht glaubt, der soll es überprüfen. und Mpemba experimentierte mit Eiscreme. Bei Speiseeis erfolgt die Kristallisation anders als bei Wasser. Versuchen Sie, ein Stück Eiscreme und ein Stück Eis mit den Zähnen abzubeißen. Höchstwahrscheinlich ist es nicht gefroren, sondern durch die Abkühlung dicker geworden. Und Süßwasser, egal ob heiß oder kalt, gefriert bei 0°C. Kaltes Wasser ist schnell, aber heißes Wasser braucht Zeit zum Abkühlen.

Wanderer, 05.06.2016 12:54 | zu Alex

„c“ – die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum E=mc^2 – eine Formel, die die Äquivalenz von Masse und Energie ausdrückt

Albert, 27.07.2016 08:22

Zunächst eine Analogie zu Feststoffen (es gibt keinen Verdunstungsprozess). Ich habe kürzlich Kupferwasserrohre gelötet. Der Prozess erfolgt durch Erhitzen eines Gasbrenners auf die Schmelztemperatur des Lots. Die Aufheizzeit für eine Verbindung mit Kupplung beträgt ca. eine Minute. Ich habe eine Verbindung an die Kupplung gelötet und nach ein paar Minuten wurde mir klar, dass ich sie falsch gelötet hatte. Es war notwendig, das Rohr in der Kupplung etwas zu drehen. Ich begann erneut, die Verbindung mit einem Brenner zu erhitzen, und zu meiner Überraschung dauerte es 3-4 Minuten, bis die Verbindung die Schmelztemperatur erreicht hatte. Wie so!? Schließlich ist das Rohr noch heiß und es scheint, dass viel weniger Energie benötigt wird, um es auf die Schmelztemperatur zu erhitzen, aber es stellte sich heraus, dass das Gegenteil der Fall war. Es geht um die Wärmeleitfähigkeit, die in einem bereits erhitzten Rohr deutlich höher ist und die Grenze zwischen dem erhitzten und dem kalten Rohr hat es geschafft, sich in zwei Minuten weit von der Verbindungsstelle zu entfernen. Nun zum Wasser. Wir werden mit den Konzepten eines heißen und halberhitzten Gefäßes arbeiten. In einem heißen Gefäß bildet sich zwischen heißen, hochbeweglichen Teilchen und sich langsam bewegenden, kalten Teilchen eine schmale Temperaturgrenze aus, die sich relativ schnell von der Peripherie ins Zentrum bewegt, weil an dieser Grenze schnelle Teilchen ihre Energie schnell abgeben (abkühlen) durch Partikel auf der anderen Seite der Grenze. Da das Volumen der äußeren kalten Partikel größer ist, können schnelle Partikel, die ihre Wärmeenergie abgeben, die äußeren kalten Partikel nicht wesentlich erwärmen. Daher erfolgt die Abkühlung von Warmwasser relativ schnell. Halberhitztes Wasser hat eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit und die Breite der Grenze zwischen halberhitzten und kalten Partikeln ist viel breiter. Die Verschiebung zur Mitte einer so breiten Grenze erfolgt viel langsamer als bei einem heißen Gefäß. Dadurch kühlt das heiße Gefäß schneller ab als das warme. Ich denke, wir müssen die Dynamik des Abkühlungsprozesses von Wasser unterschiedlicher Temperatur verfolgen, indem wir mehrere Temperatursensoren von der Mitte bis zum Rand des Gefäßes platzieren.

Max, 19.11.2016 05:07

Es wurde bestätigt: Wenn es in Jamal kalt ist, gefriert die Leitung mit heißem Wasser und man muss sie aufwärmen, die kalte jedoch nicht!

Artem, 09.12.2016 01:25

Es ist schwierig, aber ich denke, dass kaltes Wasser dichter ist als heißes Wasser, sogar besser als gekochtes Wasser, und hier gibt es eine Beschleunigung der Abkühlung usw. heißes Wasser erreicht die kalte Temperatur und überholt diese, und wenn man berücksichtigt, dass heißes Wasser von unten und nicht von oben gefriert, wie oben beschrieben, beschleunigt dies den Prozess erheblich!

Alexander Sergejew, 21.08.2017 10:52

Einen solchen Effekt gibt es nicht. Ach. Im Jahr 2016 wurde in Nature ein ausführlicher Artikel zu diesem Thema veröffentlicht: https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect Daraus wird klar, dass bei sorgfältigen Experimenten (wenn die Proben von warmem und kaltem Wasser in allem gleich sind). außer Temperatur) wird der Effekt nicht beobachtet.

Zavlab, 22.08.2017 05:31

Victor, 27.10.2017 03:52

"Das ist tatsächlich so." - Wenn Sie in der Schule nicht verstanden haben, was Wärmekapazität und der Energieerhaltungssatz sind. Das lässt sich ganz einfach überprüfen – dafür braucht man: Lust, Kopf, Hände, Wasser, Kühlschrank und Wecker. Und die Eisbahnen werden, wie Experten schreiben, mit kaltem Wasser eingefroren (gefüllt) und das geschnittene Eis mit warmem Wasser eingeebnet. Und im Winter müssen Sie Frostschutzmittel in den Waschbehälter füllen, kein Wasser. Das Wasser gefriert auf jeden Fall, und kaltes Wasser gefriert schneller.

Irina, 23.01.2018 10:58

Wissenschaftler auf der ganzen Welt kämpfen seit der Zeit des Aristoteles mit diesem Paradoxon, und Victor, Zavlab und Sergeev erwiesen sich als die klügsten.

Denis, 01.02.2018 08:51

Im Artikel ist alles richtig geschrieben. Aber der Grund ist ein etwas anderer. Während des Siedevorgangs verdampft die darin gelöste Luft aus dem Wasser. Wenn das kochende Wasser abkühlt, wird seine Dichte daher schließlich geringer sein als die von Rohwasser bei derselben Temperatur. Es gibt keine anderen Gründe für unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten als unterschiedliche Dichten.

Zavlab, 01.03.2018 08:58 | Leiter des Labors

Irina:), „Wissenschaftler auf der ganzen Welt“ haben mit diesem „Paradoxon“ nicht zu kämpfen; für echte Wissenschaftler existiert dieses „Paradoxon“ einfach nicht – es lässt sich leicht unter gut reproduzierbaren Bedingungen verifizieren. Das „Paradoxon“ entstand aufgrund der nicht reproduzierbaren Experimente des afrikanischen Jungen Mpemba und wurde von ähnlichen „Wissenschaftlern“ aufgebauscht :)

In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser.

Erhitztes Wasser gefriert viel schneller als kaltes Wasser! Diese erstaunliche Eigenschaft des Wassers, für die Wissenschaftler noch immer keine genaue Erklärung finden, ist seit der Antike bekannt. So gibt es beispielsweise schon bei Aristoteles eine Beschreibung des Winterfischens: Fischer steckten Angelruten in Löcher im Eis, und damit diese schneller gefrierten, gossen sie warmes Wasser auf das Eis. Dieses Phänomen wurde in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts nach Erasto Mpemba benannt. Mnemba bemerkte beim Zubereiten von Eis einen seltsamen Effekt und wandte sich für eine Erklärung an seinen Physiklehrer, Dr. Denis Osborne. Mpemba und Dr. Osborne experimentierten mit Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen und kamen zu dem Schluss, dass fast kochendes Wasser viel schneller zu gefrieren beginnt als Wasser bei Raumtemperatur. Andere Wissenschaftler führten ihre eigenen Experimente durch und kamen jedes Mal zu ähnlichen Ergebnissen.

Erklärung eines physikalischen Phänomens

Es gibt keine allgemein anerkannte Erklärung dafür, warum dies geschieht. Viele Forscher vermuten, dass der springende Punkt in der Unterkühlung der Flüssigkeit liegt, die auftritt, wenn ihre Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Mit anderen Worten: Wenn Wasser bei einer Temperatur unter 0 °C gefriert, kann unterkühltes Wasser beispielsweise eine Temperatur von -2 °C haben und dennoch flüssig bleiben, ohne zu Eis zu werden. Wenn wir versuchen, kaltes Wasser einzufrieren, besteht die Möglichkeit, dass es zunächst unterkühlt wird und erst nach einiger Zeit hart wird. Andere Prozesse laufen in erhitztem Wasser ab. Seine schnellere Umwandlung in Eis ist mit Konvektion verbunden.

Konvektion- Hierbei handelt es sich um ein physikalisches Phänomen, bei dem die warmen unteren Schichten einer Flüssigkeit aufsteigen und die oberen, abgekühlten Schichten absinken.

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 von ihnen 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 erforderlich sind. Wenn sie in flüssigem Wasser nicht vorhanden sind, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit sinkt, dass sich spontan Kristalle bilden. 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 kalte und die heiße Wasserschicht 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 bei der 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 Warmwasserbehälter die Wärme schneller entzogen als einem Kaltwasserbehälter. Ein Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt den Schnee darunter nicht. Alle diese (und andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, welche davon eine 100-prozentige Reproduktion des Mpemba-Effekts gewährleisten, 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 logischerweise zuerst zu Eis hätte werden müssen: Schließlich muss heißes Wasser zuerst auf die kalte Temperatur abkühlen und dann zu Eis werden, während kaltes Wasser nicht abkühlen muss. 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

Jeder weiss das 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 beginnt mit Wasser etwas Seltsames zu passieren: Es wird superviskos oder zähflüssig, wie Melasse, und bei Temperaturen unter -135 °C verwandelt es sich in „glasartiges“ oder „glasartiges“ Wasser – eine feste Substanz, der es an Kristallinität mangelt 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 therapeutische 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 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.