L'effetto Mpemba o perché l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda? Perché l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda? Effetto Mpemba.

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

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

Da allora sono state espresse diverse versioni, una delle quali era la seguente: parte dell'acqua calda prima evapora semplicemente e poi, quando ne rimane meno, l'acqua si congela più velocemente. Questa versione, per la sua semplicità, divenne la più popolare, ma non soddisfò completamente gli scienziati.

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

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

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

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

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

Una delle mie materie preferite a scuola era la chimica. Una volta un insegnante di chimica ci affidò un compito molto strano e difficile. Ci ha fornito un elenco di domande a cui dovevamo rispondere in termini di chimica. Ci sono stati concessi diversi giorni per questo compito e ci è stato permesso di utilizzare biblioteche e altre fonti di informazione disponibili. Una di queste domande riguardava il punto di congelamento dell’acqua. Non ricordo esattamente come suonava la domanda, ma riguardava il fatto che se prendi due secchi di legno della stessa dimensione, uno con acqua calda, l'altro con acqua fredda (con una temperatura indicata con precisione), e li metti in un ambiente con una certa temperatura, quale si congelerà più velocemente? Naturalmente, la risposta è venuta subito da sé: un secchio di acqua fredda, ma pensavamo fosse troppo semplice. Ma questo non bastava per dare una risposta completa; occorreva dimostrarlo dal punto di vista chimico. Nonostante tutte le mie riflessioni e ricerche, non sono riuscito a giungere ad una conclusione logica. Ho anche deciso di saltare questa lezione quel giorno, quindi non ho mai imparato la soluzione di questo indovinello.

Passarono gli anni e imparai molti miti quotidiani sul punto di ebollizione e sul punto di congelamento dell'acqua, e un mito diceva: "l'acqua calda congela più velocemente". Ho guardato molti siti web, ma le informazioni erano troppo contrastanti. E queste erano solo opinioni, infondate dal punto di vista scientifico. E ho deciso di condurre il mio esperimento. Non trovando secchi di legno, ho usato il congelatore, il fornello, un po' d'acqua e un termometro digitale. Vi parlerò dei risultati della mia esperienza un po' più tardi. Innanzitutto, condividerò con voi alcuni argomenti interessanti sull’acqua:

L’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda. La maggior parte degli esperti afferma che l’acqua fredda si congela più velocemente dell’acqua calda. Ma un fenomeno curioso (il cosiddetto effetto Memba), per ragioni sconosciute, dimostra il contrario: l’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda. Una delle tante spiegazioni è il processo di evaporazione: se si mette acqua molto calda in un ambiente freddo, l'acqua inizierà ad evaporare (la quantità rimanente di acqua si congelerà più velocemente). E secondo le leggi della chimica, questo non è affatto un mito, e molto probabilmente questo è ciò che l'insegnante voleva sentire da noi.

L'acqua bollita si congela più velocemente dell'acqua del rubinetto. Nonostante la spiegazione precedente, alcuni esperti sostengono che l’acqua bollita raffreddata a temperatura ambiente dovrebbe congelare più velocemente perché l’ebollizione riduce la quantità di ossigeno.

L'acqua fredda bolle più velocemente dell'acqua calda. Se l’acqua calda si congela più velocemente, forse l’acqua fredda bolle più velocemente! Ciò è contrario al buon senso e gli scienziati affermano che semplicemente non può essere. L’acqua calda del rubinetto dovrebbe effettivamente bollire più velocemente dell’acqua fredda. Ma usare l’acqua calda per bollire non fa risparmiare energia. Potresti usare meno gas o luce, ma lo scaldabagno utilizzerà la stessa quantità di energia necessaria per riscaldare l'acqua fredda. (Con l'energia solare la situazione è leggermente diversa). Come risultato del riscaldamento dell'acqua da parte dello scaldabagno, potrebbero apparire dei sedimenti, quindi l'acqua impiegherà più tempo a riscaldarsi.

Se aggiungi sale all'acqua, bollirà più velocemente. Il sale aumenta il punto di ebollizione (e di conseguenza abbassa il punto di congelamento, motivo per cui alcune casalinghe aggiungono un po' di salgemma al loro gelato). Ma in questo caso ci interessa un'altra questione: per quanto tempo bollirà l'acqua e se il punto di ebollizione in questo caso potrà superare i 100°C). Nonostante quello che dicono i libri di cucina, gli scienziati dicono che la quantità di sale che aggiungiamo all’acqua bollente non è sufficiente per influenzare il tempo o la temperatura di ebollizione.

Ma ecco cosa ho ottenuto:

Acqua fredda: ho utilizzato tre bicchieri di vetro da 100 ml di acqua purificata: un bicchiere a temperatura ambiente (22°C/72°F), uno con acqua calda (46°C/115°F) e uno con acqua bollita (212°C/ °F/100°C). Ho messo tutti e tre i bicchieri in freezer a -18°C. E poiché sapevo che l'acqua non si sarebbe trasformata immediatamente in ghiaccio, ho determinato il grado di congelamento utilizzando un “galleggiante di legno”. Quando il bastoncino posto al centro del bicchiere non toccava più la base, consideravo l'acqua congelata. Controllavo gli occhiali ogni cinque minuti. E quali sono i miei risultati? L'acqua nel primo bicchiere si è congelata dopo 50 minuti. L'acqua calda si è congelata dopo 80 minuti. Bollito - dopo 95 minuti. Le mie scoperte: date le condizioni nel congelatore e l'acqua che ho usato, non sono riuscito a riprodurre l'effetto Memba.

Ho provato questo esperimento anche con acqua precedentemente bollita e raffreddata a temperatura ambiente. Si è congelato in 60 minuti, ma ci è voluto più tempo dell'acqua fredda per congelare.

Acqua bollita: ho preso un litro d'acqua a temperatura ambiente e l'ho messo sul fuoco. Ha bollito in 6 minuti. L'ho quindi raffreddato di nuovo a temperatura ambiente e l'ho aggiunto mentre era caldo. Con lo stesso fuoco l'acqua calda bolliva in 4 ore e 30 minuti. Conclusione: come previsto, l'acqua calda bolle molto più velocemente.

Acqua bollita (con sale): ho aggiunto 2 cucchiai grandi di sale da cucina per 1 litro d'acqua. Bollì in 6 minuti e 33 secondi e, come indicava il termometro, raggiunse la temperatura di 102°C. Indubbiamente il sale influisce sul punto di ebollizione, ma non di molto. Conclusione: il sale nell'acqua non influisce molto sulla temperatura e sul tempo di ebollizione. Onestamente ammetto che la mia cucina difficilmente può essere definita un laboratorio, e forse le mie conclusioni contraddicono la realtà. Il mio congelatore potrebbe non congelare il cibo in modo uniforme. I miei bicchieri di vetro potrebbero avere una forma irregolare, ecc. Ma qualunque cosa accada in laboratorio, quando si tratta di congelare o bollire l’acqua in cucina, la cosa più importante è il buon senso.

collegamento con fatti interessanti sull'acquatutto sull'acqua
come suggerito su forum.ixbt.com, questo effetto (l'effetto dell'acqua calda che si congela più velocemente dell'acqua fredda) è chiamato "effetto Aristotele-Mpemba"

Quelli. L’acqua bollita (refrigerata) si congela più velocemente di quella “grezza”

Sembrerebbe che la buona vecchia formula H 2 O non contenga segreti. Ma in realtà l'acqua, la fonte della vita e il liquido più famoso al mondo, è piena di molti misteri che a volte persino gli scienziati non riescono a risolvere.

Ecco i 5 fatti più interessanti sull’acqua:

1. L’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda

Prendiamo due contenitori con acqua: in uno versiamo l'acqua calda, nell'altro l'acqua fredda, e mettiamoli nel congelatore. L'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda, anche se logicamente l'acqua fredda avrebbe dovuto prima trasformarsi in ghiaccio: dopo tutto, l'acqua calda deve prima raffreddarsi alla temperatura fredda e poi trasformarsi in ghiaccio, mentre l'acqua fredda non ha bisogno di raffreddarsi. Perché sta succedendo?

Nel 1963, Erasto B. Mpemba, uno studente delle scuole superiori in Tanzania, stava congelando una miscela di gelato e notò che la miscela calda si solidificava più velocemente nel congelatore rispetto a quella fredda. Quando il giovane ha condiviso la sua scoperta con il suo insegnante di fisica, ha solo riso di lui. Fortunatamente, lo studente è stato tenace e ha convinto l'insegnante a condurre un esperimento che ha confermato la sua scoperta: in determinate condizioni, l'acqua calda congela effettivamente più velocemente dell'acqua fredda.

Ora questo fenomeno per cui l’acqua calda si congela più velocemente dell’acqua fredda è chiamato “effetto Mpemba”. È vero, molto prima di lui questa proprietà unica dell'acqua fu notata da Aristotele, Francis Bacon e René Descartes.

Gli scienziati non comprendono ancora appieno la natura di questo fenomeno, spiegandolo con la differenza tra sottoraffreddamento, evaporazione, formazione di ghiaccio, convezione o con l'effetto dei gas liquefatti sull'acqua calda e fredda.

Nota di X.RU sull'argomento "L'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda".

Poiché i problemi del raffreddamento sono più vicini a noi, specialisti della refrigerazione, ci permetteremo di approfondire un po' l'essenza di questo problema e di dare due opinioni sulla natura di un fenomeno così misterioso.

1. Uno scienziato dell'Università di Washington ha proposto una spiegazione per un misterioso fenomeno noto fin dai tempi di Aristotele: perché l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda.

Il fenomeno, chiamato effetto Mpemba, è ampiamente utilizzato nella pratica. Ad esempio, gli esperti consigliano agli automobilisti di versare acqua fredda, non calda, nel serbatoio della lavatrice in inverno. Ma cosa sia alla base di questo fenomeno è rimasto sconosciuto per molto tempo.

Il dottor Jonathan Katz dell'Università di Washington ha studiato questo fenomeno ed è giunto alla conclusione che le sostanze disciolte nell'acqua, che precipitano quando riscaldate, svolgono un ruolo importante, riferisce EurekAlert.

Per soluti il Dr. Katz intende i bicarbonati di calcio e magnesio, che si trovano nell'acqua dura. Quando l'acqua viene riscaldata, queste sostanze precipitano formando incrostazioni sulle pareti del bollitore. L'acqua che non è mai stata riscaldata contiene queste impurità. Quando si congela e si formano cristalli di ghiaccio, la concentrazione di impurità nell'acqua aumenta di 50 volte. Per questo motivo, il punto di congelamento dell'acqua diminuisce. "E ora l'acqua deve raffreddarsi ulteriormente per congelare", spiega il Dr. Katz.

C'è una seconda ragione che impedisce il congelamento dell'acqua non riscaldata. L'abbassamento del punto di congelamento dell'acqua riduce la differenza di temperatura tra la fase solida e quella liquida. "Poiché la velocità con cui l'acqua perde calore dipende da questa differenza di temperatura, l'acqua che non è stata riscaldata si raffredda meno bene", commenta il Dr. Katz.

Secondo lo scienziato, la sua teoria può essere testata sperimentalmente, perché L'effetto Mpemba diventa più evidente per l'acqua più dura.

2. L'ossigeno più l'idrogeno più il freddo creano il ghiaccio. A prima vista, questa sostanza trasparente sembra molto semplice. In realtà, il ghiaccio è pieno di molti misteri. Il ghiaccio, creato dall'africano Erasto Mpemba, non pensava alla fama. Le giornate erano calde. Voleva i ghiaccioli. Prese la scatola del succo e la mise nel congelatore. Lo ha fatto più di una volta e quindi ha notato che il succo si congela particolarmente rapidamente se lo tieni prima al sole: si riscalda davvero! Questo è strano, pensò lo scolaro tanzaniano, che ha agito contrariamente alla saggezza mondana. È davvero necessario preriscaldare il liquido per trasformarlo in ghiaccio più velocemente? Il giovane fu così sorpreso che condivise la sua ipotesi con l'insegnante. Ha riportato questa curiosità alla stampa.

Questa storia è accaduta negli anni sessanta del secolo scorso. Ora l '"effetto Mpemba" è ben noto agli scienziati. Ma per molto tempo questo fenomeno apparentemente semplice rimase un mistero. Perché l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda?

Fu solo nel 1996 che il fisico David Auerbach trovò una soluzione. Per rispondere a questa domanda, ha condotto un esperimento per un anno intero: ha riscaldato l'acqua in un bicchiere e l'ha raffreddata di nuovo. Allora cosa ha scoperto? Quando riscaldate, le bolle d'aria disciolte nell'acqua evaporano. L'acqua priva di gas congela più facilmente sulle pareti del recipiente. “Naturalmente anche l’acqua ad alto contenuto di aria congela”, spiega Auerbach, “ma non a zero gradi Celsius, ma solo a meno quattro-sei gradi”. Ovviamente dovrai aspettare più a lungo. Quindi, l'acqua calda congela prima dell'acqua fredda, questo è un fatto scientifico.

Difficilmente esiste una sostanza che si presenti davanti ai nostri occhi con la stessa facilità del ghiaccio. È costituito solo da molecole d'acqua, cioè molecole elementari contenenti due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Tuttavia, il ghiaccio è forse la sostanza più misteriosa dell'Universo. Gli scienziati non sono ancora riusciti a spiegare alcune delle sue proprietà.

2. Sottoraffreddamento e congelamento "istantaneo".

Tutti sanno che l'acqua si trasforma sempre in ghiaccio quando viene raffreddata a 0°C... tranne in alcuni casi! Un esempio di ciò è il “sottoraffreddamento”, che è la proprietà dell’acqua molto pura di rimanere liquida anche quando raffreddata sotto lo zero. Questo fenomeno è reso possibile dal fatto che l'ambiente non contiene centri o nuclei di cristallizzazione che potrebbero innescare la formazione di cristalli di ghiaccio. E così l'acqua rimane in forma liquida anche quando viene raffreddata sotto lo zero gradi Celsius. Il processo di cristallizzazione può essere innescato, ad esempio, da bolle di gas, impurità (contaminanti) o da una superficie irregolare del contenitore. Senza di essi l’acqua rimarrà allo stato liquido. Quando inizia il processo di cristallizzazione, puoi osservare l'acqua super raffreddata trasformarsi istantaneamente in ghiaccio.

Guarda il video (2.901 KB, 60 sec) di Phil Medina (www.mrsciguy.com) e scoprilo tu stesso >>

Commento. L'acqua surriscaldata rimane liquida anche se riscaldata al di sopra del punto di ebollizione.

3. Acqua "di vetro".

Dimmi rapidamente e senza pensare quanti stati diversi ha l'acqua?

Se hai risposto a tre (solido, liquido, gas), allora ti sbagliavi. Gli scienziati identificano almeno 5 diversi stati dell'acqua liquida e 14 stati del ghiaccio.

Ricordi la conversazione sull'acqua superrefrigerata? Quindi, qualunque cosa tu faccia, a -38 °C anche l'acqua superrefrigerata più pura si trasforma improvvisamente in ghiaccio. Cosa succede con un ulteriore declino?

temperatura? A -120 °C qualcosa di strano inizia a succedere all'acqua: diventa super viscosa o viscosa, come la melassa, e a temperature inferiori a -135 °C si trasforma in acqua “vetrosa” o “vitrea” - una sostanza solida priva di struttura cristallina .

4. Proprietà quantistiche dell'acqua

A livello molecolare, l’acqua è ancora più sorprendente. Nel 1995, un esperimento di diffusione dei neutroni condotto dagli scienziati ha prodotto un risultato inaspettato: i fisici hanno scoperto che i neutroni puntati sulle molecole d’acqua “vedono” il 25% in meno di protoni di idrogeno del previsto.

Si è scoperto che alla velocità di un attosecondo (10-18 secondi) avviene un insolito effetto quantistico e la formula chimica dell'acqua, invece della solita H 2 O, diventa H 1,5 O!

5. L'acqua ha memoria?

L'omeopatia, un'alternativa alla medicina convenzionale, afferma che una soluzione diluita di un farmaco può avere un effetto curativo sul corpo, anche se il fattore di diluizione è così grande che nella soluzione non rimangono altro che molecole d'acqua. I sostenitori dell'omeopatia spiegano questo paradosso con il concetto chiamato “memoria dell'acqua”, secondo il quale l'acqua a livello molecolare ha una “memoria” della sostanza una volta disciolta in essa e conserva le proprietà della soluzione alla concentrazione originaria dopo nemmeno un istante. la molecola dell'ingrediente rimane al suo interno.

Un gruppo internazionale di scienziati guidati dalla professoressa Madeleine Ennis della Queen's University di Belfast, che criticava i principi dell'omeopatia, ha condotto un esperimento nel 2002 per confutare questo concetto una volta per tutte. Il risultato è stato il contrario, hanno detto gli scienziati sono stati in grado di dimostrare la realtà dell'effetto “memoria dell'acqua”. Tuttavia, gli esperimenti condotti sotto la supervisione di esperti indipendenti non hanno portato alcun risultato. Il dibattito sull'esistenza del fenomeno della “memoria dell'acqua” continua.

L’acqua ha molte altre proprietà insolite di cui non abbiamo parlato in questo articolo.

Letteratura.

1. 5 cose davvero strane sull'acqua / http://www.neatorama.com.
2. Il mistero dell'acqua: è stata creata la teoria dell'effetto Aristotele-Mpemba / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Segreti della natura inanimata. La sostanza più misteriosa dell'universo / http://www.bibliotekar.ru.

Sembra ovvio che l’acqua fredda congela più velocemente dell’acqua calda, poiché a parità di condizioni l’acqua calda impiega più tempo a raffreddarsi e successivamente a congelare. Tuttavia, migliaia di anni di osservazioni e moderni esperimenti hanno dimostrato che è vero anche il contrario: in determinate condizioni, l’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda. Sciencium Science Channel spiega questo fenomeno:

Come spiegato nel video sopra, il fenomeno per cui l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda è noto come effetto Mpemba, dal nome di Erasto Mpemba, uno studente tanzaniano che preparò il gelato come parte di un progetto scolastico nel 1963. Gli studenti dovevano portare a ebollizione una miscela di panna e zucchero, lasciarla raffreddare e poi metterla nel congelatore.

Erasto invece ci mise subito il suo composto, caldo, senza aspettare che si raffreddasse. Di conseguenza, dopo 1,5 ore la sua miscela era già congelata, ma le miscele di altri studenti no. Interessato al fenomeno, Mpemba iniziò a studiare la questione con il professore di fisica Denis Osborne e nel 1969 pubblicarono un articolo in cui si affermava che l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda. Questo è stato il primo studio sottoposto a revisione paritaria nel suo genere, ma il fenomeno stesso è menzionato nelle carte di Aristotele, risalenti al IV secolo a.C. e. Anche Francis Bacon e Cartesio hanno notato questo fenomeno nei loro studi.

Il video elenca diverse opzioni per spiegare cosa sta succedendo:

Il gelo è un dielettrico, quindi l'acqua fredda gelata immagazzina il calore meglio di un vetro caldo, che scioglie il ghiaccio quando entra in contatto con esso
L’acqua fredda ha più gas disciolti dell’acqua calda e i ricercatori ipotizzano che ciò possa avere un ruolo nella velocità di raffreddamento, anche se non è ancora chiaro come
L’acqua calda perde più molecole d’acqua attraverso l’evaporazione, quindi ne restano meno da congelare
L’acqua calda può raffreddarsi più velocemente a causa dell’aumento delle correnti convettive. Queste correnti si verificano perché l'acqua nel bicchiere si raffredda prima in superficie e sui lati, provocando l'abbassamento dell'acqua fredda e la risalita dell'acqua calda. In un vetro caldo, le correnti convettive sono più attive, il che può influenzare la velocità di raffreddamento.

Tuttavia, nel 2016, è stato condotto uno studio attentamente controllato che ha dimostrato il contrario: l’acqua calda congelava molto più lentamente dell’acqua fredda. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno notato che cambiare la posizione della termocoppia - un dispositivo che determina le variazioni di temperatura - di solo un centimetro porta alla comparsa dell'effetto Mpemba. Uno studio di altri studi simili ha dimostrato che in tutti i casi in cui è stato osservato questo effetto, si è verificato uno spostamento della termocoppia entro un centimetro.

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

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

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

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

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

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

La domanda circola da molto tempo

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

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

Condizioni affinché si verifichi un paradosso

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

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

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

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

Alto - basso

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

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

Impurità nell'acqua come fattore che influenza il risultato

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

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

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

La risposta degli scienziati cinesi

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

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

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

Ma la questione è ancora aperta

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