Gekochtes Wasser gefriert schneller. Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser?

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Welches Wasser gefriert schneller kalt oder heiß?“- versuchen Sie, Ihren Freunden eine Frage zu stellen, höchstwahrscheinlich werden die meisten von ihnen antworten, dass kaltes Wasser schneller gefriert - und einen Fehler machen.

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

Eine solche Aussage mag absurd und unvernünftig erscheinen. Logischerweise muss heißes Wasser erst auf kalte Temperatur abkühlen und kaltes Wasser sollte sich zu diesem Zeitpunkt bereits in Eis verwandeln.

Warum also überholt heißes Wasser kaltes Wasser auf dem Weg zum Gefrierpunkt? Versuchen wir es herauszufinden.

Beobachtungs- und Forschungsgeschichte

Menschen haben den paradoxen Effekt seit der Antike beobachtet, aber niemand hat ihm viel Bedeutung beigemessen. So wurden sowohl von Arestotel als auch von Rene Descartes und Francis Bacon Inkonsistenzen in der Gefrierrate von kaltem und heißem Wasser in ihren Notizen festgestellt. Ein ungewöhnliches Phänomen manifestierte sich oft im Alltag.

Lange Zeit wurde das Phänomen in keiner Weise untersucht und weckte bei Wissenschaftlern kein großes Interesse.

Die Untersuchung des ungewöhnlichen Effekts begann 1963, als ein neugieriger Student aus Tansania, Erasto Mpemba, bemerkte, dass heiße Milch für Eiscreme schneller gefriert 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, aber in seinem Experiment verwendete er keine Milch mehr, 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, als Ergebnis wurde ein Experiment durchgeführt, das das Vorhandensein des Effekts bestätigte, aber die Gründe für dieses Phänomen wurden nicht festgestellt.

Seitdem heißt das Phänomen Mpemba-Effekt.

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

So kündigte die britische Royal Society of Chemistry 2012 einen Hypothesenwettbewerb zur Erklärung des Mpemba-Effekts an. An dem Wettbewerb nahmen Wissenschaftler aus aller Welt teil, insgesamt wurden 22.000 wissenschaftliche Arbeiten angemeldet. Trotz einer so beeindruckenden Anzahl von Artikeln konnte keiner das Mpemba-Paradoxon klären.

Am gebräuchlichsten war die Version, wonach heißes Wasser schneller gefriert, da es einfach schneller verdunstet, sein Volumen kleiner wird und mit abnehmendem Volumen seine Abkühlgeschwindigkeit zunimmt. Die häufigste Version wurde schließlich widerlegt, als ein Experiment durchgeführt wurde, bei dem die Verdunstung ausgeschlossen wurde, aber die Wirkung wurde dennoch bestätigt.

Andere Wissenschaftler glaubten, der Grund für den Mpemba-Effekt sei die Verdunstung von im Wasser gelösten Gasen. Ihrer Meinung nach verdampfen während des Erwärmungsprozesses im Wasser gelöste Gase, wodurch es eine höhere Dichte als kaltes Wasser erhält. Eine Erhöhung der Dichte führt bekanntermaßen zu einer Änderung der physikalischen Eigenschaften des Wassers (Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) und damit zu einer Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit.

Darüber hinaus wurde eine Reihe von Hypothesen aufgestellt, die die Geschwindigkeit der Wasserzirkulation als Funktion der Temperatur beschreiben. In vielen Studien wurde versucht, den Zusammenhang zwischen dem Material der Behälter, in denen sich die Flüssigkeit befand, herzustellen. Viele Theorien schienen sehr plausibel, konnten aber aufgrund fehlender erster Daten, Widersprüche in anderen Experimenten oder aufgrund der Tatsache, dass die identifizierten Faktoren einfach nicht mit der Geschwindigkeit der Wasserkühlung vergleichbar waren, wissenschaftlich nicht bestätigt werden. Einige Wissenschaftler stellten in ihren Arbeiten die Existenz des Effekts in Frage.

2013 behaupteten Forscher der Nanyang Technological University in Singapur, das Rätsel des Mpemba-Effekts gelöst zu haben. Der Grund für das Phänomen liegt ihrer Studie zufolge darin, dass sich die Menge an Energie, die in Wasserstoffbrückenbindungen zwischen kalten und heißen Wassermolekülen gespeichert ist, deutlich unterscheidet.

Computersimulationsmethoden haben folgende Ergebnisse gezeigt: Je höher die Temperatur des Wassers, desto größer der Abstand zwischen den Molekülen, da die Abstoßungskräfte zunehmen. Folglich werden die Wasserstoffbrückenbindungen von Molekülen gedehnt, wodurch mehr Energie gespeichert wird. Beim Abkühlen beginnen sich die Moleküle einander zu nähern und setzen dabei Energie aus Wasserstoffbrückenbindungen frei. In diesem Fall geht die Energiefreisetzung mit einer Temperaturabnahme einher.

Spanische Physiker fanden im Oktober 2017 im Rahmen einer weiteren Studie heraus, dass die Entfernung von Materie aus dem Gleichgewicht (starke Erwärmung vor starker Abkühlung) eine große Rolle bei der Entstehung des Effekts spielt. Sie bestimmten die Bedingungen, unter denen die Wahrscheinlichkeit des Effekts maximal ist. Darüber hinaus haben Wissenschaftler aus Spanien die Existenz des umgekehrten Mpemba-Effekts bestätigt. Sie fanden heraus, dass eine kältere Probe beim Erhitzen schneller eine hohe Temperatur erreichen kann als eine warme.

Trotz umfassender Informationen und zahlreicher Experimente wollen die Wissenschaftler die Wirkung weiter untersuchen.

Mpemba-Effekt im wirklichen Leben

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum die Eisbahn im Winter mit heißem und nicht mit kaltem Wasser gefüllt ist? Wie Sie bereits verstanden haben, tun sie dies, weil eine mit heißem Wasser gefüllte Eisbahn schneller gefriert, als wenn sie mit kaltem Wasser gefüllt wäre. Aus dem gleichen Grund werden Rutschen in winterlichen Eisstädten mit heißem Wasser übergossen.

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

Darüber hinaus wird der Mpemba-Effekt manchmal in der Industrie genutzt - um die Gefrierzeit von wasserhaltigen Produkten, Stoffen und Materialien zu verkürzen.

Mpemba-Effekt(Mpemba-Paradoxon) - ein Paradoxon, das besagt, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, obwohl es beim Gefrieren die Temperatur von kaltem Wasser passieren muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach unter gleichen Bedingungen ein heißerer Körper mehr Zeit braucht, um sich auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein kühlerer Körper, um sich auf dieselbe Temperatur abzukühlen.

Dieses Phänomen wurde seinerzeit von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt, aber erst 1963 fand der tansanische Schüler Erasto Mpemba heraus, dass eine heiße Eismischung schneller gefriert als eine kalte.

Erasto Mpemba war Schüler der Magambin High School in Tansania und machte praktische Kocharbeiten. Er musste hausgemachtes Eis machen - Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen und dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und zögerte den ersten Teil der Aufgabe hinaus. Aus Angst, am Ende der Stunde nicht rechtzeitig zu sein, stellte er die noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie sogar früher als die nach einer bestimmten Technologie zubereitete Milch seiner Kameraden.

Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit gewöhnlichem Wasser. Jedenfalls fragte er, bereits Schüler der Mkwawa High School, Professor Dennis Osborne vom University College in Dar es Salaam (auf Einladung des Direktors der Schule, um Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) zum Thema Wasser: „Wenn du nimmst zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass in einem von ihnen das Wasser eine Temperatur von 35 ° C und in dem anderen - 100 ° C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten schneller. Wieso den? Osborne interessierte sich für diese Frage und bald veröffentlichten sie 1969 zusammen mit Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift "Physics Education". Seitdem heißt der von ihnen entdeckte Effekt Mpemba-Effekt.

Bis jetzt weiß niemand genau, wie man diesen seltsamen Effekt erklären kann. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber noch ist nicht klar, welche Eigenschaften dabei eine Rolle spielen: der Unterschied bei Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder die Wirkung von verflüssigten Gasen auf Wasser unterschiedliche Temperaturen.

Das Paradoxe am Mpemba-Effekt ist, dass die Zeit, in der sich der Körper auf Umgebungstemperatur abkühlt, proportional zur Temperaturdifferenz zwischen diesem Körper und der Umgebung sein muss. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Ebenso kühlt Wasser bei 100°C schneller auf 0°C ab als die gleiche Menge Wasser bei 35°C.

Dies impliziert jedoch noch kein Paradoxon, da der Mpemba-Effekt auch innerhalb der bekannten Physik erklärt werden kann. Hier einige Erklärungen zum Mpemba-Effekt:

Verdunstung

Der Verdunstungseffekt ist ein Doppeleffekt. Erstens wird die zum Kühlen benötigte Wassermasse reduziert. Und zweitens sinkt die Temperatur aufgrund der Tatsache, dass die Verdampfungswärme beim Übergang von der Wasserphase in die Dampfphase abnimmt.

Temperaturunterschied

Dadurch, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist der Wärmeaustausch in diesem Fall intensiver und heißes Wasser kühlt schneller ab.

Unterkühlung

Wenn Wasser unter 0 C gekühlt wird, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es unterkühlen, bleibt aber bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig. In einigen Fällen kann Wasser auch bei -20 C flüssig bleiben.

Der Grund für diesen Effekt ist, dass Kristallbildungszentren benötigt werden, damit sich die ersten Eiskristalle bilden können. Wenn sie sich nicht in flüssigem Wasser befinden, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit abfällt, dass sich spontan Kristalle bilden. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, wachsen sie schneller und bilden einen 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 lässt heißes Wasser durch Unterkühlung schneller gefrieren? Bei kaltem Wasser, das nicht unterkühlt ist, tritt Folgendes auf. In diesem Fall bildet sich eine dünne Eisschicht auf der Oberfläche des Gefäßes. Diese Eisschicht dient als Isolator zwischen Wasser und kalter Luft und verhindert eine weitere Verdunstung. Die Bildungsrate von Eiskristallen ist in diesem Fall geringer. Im Falle von heißem Wasser, das einer Unterkühlung unterzogen wird, hat das unterkühlte Wasser keine schützende Oberflächenschicht aus Eis. 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 beim Mpemba-Effekt.

Konvektion

Dieser Effekt wird durch eine Anomalie in der Dichte des Wassers erklärt. Wasser hat eine maximale Dichte bei 4 C. Wenn Sie Wasser auf 4 C abkühlen und es auf eine niedrigere Temperatur bringen, 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 Kälteschicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich für kurze Zeit eine dünne Eisschicht auf der Wasseroberfläche, aber diese Eisschicht dient als Isolator und schützt die unteren Wasserschichten, die eine Temperatur von 4 ° C haben. Daher , erfolgt die weitere Abkühlung langsamer.

Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund von Verdunstung und einem größeren Temperaturunterschied schneller ab. Außerdem sind Kaltwasserschichten dichter als Heißwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche hebt. Diese Zirkulation des Wassers sorgt für einen schnellen Temperaturabfall.

Aber warum erreicht dieser Prozess nicht den Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt unter diesem Konvektionsgesichtspunkt zu erklären, müsste angenommen werden, dass die kalten und heißen Wasserschichten getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst fortgesetzt wird, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 ° C gefallen ist.

Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise für diese Hypothese, dass kalte und heiße Wasserschichten durch Konvektion getrennt sind.

in Wasser gelöste Gase

Wasser enthält immer gelöste Gase - Sauerstoff und Kohlendioxid. Diese Gase haben die Fähigkeit, den Gefrierpunkt von Wasser zu senken. Beim Erhitzen des Wassers werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hoher Temperatur geringer ist. Beim Abkühlen von heißem Wasser befinden sich daher immer weniger gelöste Gase als in unbeheiztem Kaltwasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als der Hauptfaktor für die Erklärung des Mpemba-Effekts angesehen, obwohl es keine experimentellen Daten gibt, die diese Tatsache bestätigen.

Wärmeleitfähigkeit

Alle diese (sowie andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, welche von ihnen eine 100%ige Reproduktion des Mpemba-Effekts liefern, wurde nicht erhalten.

So untersuchte beispielsweise der deutsche Physiker David Auerbach 1995 den Einfluss der Wasserunterkühlung auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, das einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als letzteres. Aber kaltes Wasser erreicht den unterkühlten Zustand schneller als heißes Wasser und kompensiert dadurch die vorherige Verzögerung.

Außerdem widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, dass heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen kann. Wenn Wasser erhitzt wird, werden ihm die darin gelösten Gase entzogen, und wenn es gekocht wird, fallen einige darin gelöste Salze aus.

Bisher kann nur eines behauptet werden – die Reproduktion dieses Effekts hängt wesentlich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

O. V. Mosin

LiterarischQuellen:

"Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Warum tut es das?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, S. 246-257; September 1977.

"Das Einfrieren von heißem und kaltem Wasser", G.S. Kell im American Journal of Physics, Bd. 37, Nr. 5, S. 564–565; Mai 1969.

"Unterkühlung und der Mpemba-Effekt", David Auerbach, im American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, S. 882-885; Okt. 1995.

"Der Mpemba-Effekt: Die Gefrierzeiten von heißem und kaltem Wasser", Charles A. Knight, im American Journal of Physics, Vol. 3, No. 64, Nr. 5, S. 524; Mai 1996.

Das Phänomen, dass heißes Wasser schneller erstarrt als kaltes Wasser, ist in der Wissenschaft als Mpemba-Effekt bekannt. So große Geister wie Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes haben über dieses paradoxe Phänomen nachgedacht, aber seit Jahrtausenden ist noch niemand in der Lage gewesen, eine vernünftige Erklärung für dieses Phänomen anzubieten.

Erst 1963 bemerkte ein Schüler aus der Republik Tanganjika, Erasto Mpemba, diesen Effekt am Beispiel von Eiscreme, aber keiner der Erwachsenen gab ihm eine Erklärung. Trotzdem haben Physiker und Chemiker ernsthaft über ein so einfaches, aber so unverständliches Phänomen nachgedacht.

Seitdem wurden verschiedene Versionen geäußert, eine davon lautete: Ein Teil des heißen Wassers verdunstet zunächst einfach, und wenn dann eine geringere Menge zurückbleibt, erstarrt das Wasser schneller. Diese Version wurde aufgrund ihrer Einfachheit zur beliebtesten, aber die Wissenschaftler waren nicht ganz zufrieden.

Jetzt sagt ein Forscherteam der Nanyang Technological University in Singapur unter der Leitung des Chemikers Xi Zhang, dass es das uralte Rätsel gelöst hat, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wie chinesische Experten herausfanden, 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 Austausch von Elektronen aussieht. Eine weitere bekannte Tatsache ist, dass Wasserstoffatome von Sauerstoffatomen benachbarter Moleküle angezogen werden – dies bildet Wasserstoffbrückenbindungen.

Gleichzeitig stoßen sich Wassermoleküle als Ganzes gegenseitig ab. Wissenschaftler aus Singapur stellten fest, dass je wärmer das Wasser, desto größer der Abstand zwischen den Molekülen der Flüssigkeit aufgrund der Zunahme der Abstoßungskräfte. Dadurch werden Wasserstoffbrückenbindungen gestreckt und speichern daher mehr Energie. Diese Energie wird beim Abkühlen des Wassers freigesetzt – die Moleküle nähern sich einander an. Und die Energierückgabe bedeutet bekanntlich Abkühlung.

Wie die Chemiker in ihrem Artikel schreiben, der auf der Preprint-Seite von arXiv.org zu finden ist, werden Wasserstoffbrücken in heißem Wasser stärker gedehnt als in kaltem Wasser. So stellt sich heraus, dass in den Wasserstoffbrückenbindungen von heißem Wasser mehr Energie gespeichert wird, was bedeutet, dass beim Abkühlen auf Minustemperaturen mehr davon freigesetzt wird. Aus diesem Grund geht das Einfrieren schneller.

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

In der guten alten Formel H 2 O scheint es keine Geheimnisse zu geben. Aber tatsächlich ist Wasser – die Quelle des Lebens und die berühmteste Flüssigkeit der Welt – mit vielen Geheimnissen behaftet, die manchmal sogar Wissenschaftler nicht lösen können.

Hier sind die 5 interessantesten Fakten über Wasser:

1. Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser

Nehmen Sie 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 kalte Temperatur abkühlen und dann zu Eis werden, während kaltes Wasser nicht abkühlen muss. Warum passiert dies?

1963 bemerkte Erasto B. Mpemba, ein Oberstufenschüler in Tansania, beim Einfrieren einer zubereiteten Eismischung, dass die heiße Mischung im Gefrierschrank schneller fest wurde als die kalte. Als der junge Mann seine Entdeckung einem Physiklehrer mitteilte, lachte er ihn nur aus. Glücklicherweise war der Schüler hartnäckig und überzeugte den Lehrer, ein Experiment durchzuführen, das seine Entdeckung bestätigte: Heißes Wasser gefriert unter bestimmten Bedingungen wirklich schneller als kaltes Wasser.

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

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

Hinweis von Х.RU zum Thema "Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser".

Da Kühlungsprobleme uns, Kältespezialisten, näher sind, lassen Sie uns ein wenig tiefer in die Essenz dieses Problems eintauchen und zwei Meinungen über die Natur eines solch mysteriösen Phänomens abgeben.

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

Das als Mpemba-Effekt bezeichnete Phänomen ist in der Praxis weit verbreitet. Experten raten Autofahrern beispielsweise, im Winter eher kaltes als heißes Wasser in den Waschwasserbehälter zu gießen. 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 Substanzen dabei eine wichtige Rolle spielen, die beim Erhitzen ausfallen, berichtet EurekAlert.

Mit gelösten Stoffen meint Dr. Katz die in hartem Wasser vorkommenden Calcium- und Magnesiumbicarbonate. Beim Erhitzen des Wassers fallen diese Substanzen aus und bilden Ablagerungen an den Wänden des Wasserkochers. Wasser, das nie erhitzt wurde, enthält diese Verunreinigungen. Wenn es gefriert und sich Eiskristalle bilden, erhöht sich die Konzentration von Verunreinigungen im Wasser um das 50-fache. Dadurch sinkt der Gefrierpunkt des Wassers. „Und jetzt muss das Wasser abkühlen, um zu gefrieren“, erklärt Dr. Katz.

Es gibt noch einen zweiten Grund, der das Einfrieren von nicht erhitztem Wasser verhindert. Das Senken des Gefrierpunkts von Wasser verringert die Temperaturdifferenz zwischen der festen und flüssigen Phase. „Weil die Geschwindigkeit, mit der Wasser Wärme verliert, von dieser Temperaturdifferenz abhängt, kühlt nicht erhitztes Wasser schlechter ab“, kommentiert Dr. Katz.

Laut dem Wissenschaftler lässt sich seine Theorie experimentell überprüfen, denn. der Mpemba-Effekt wird bei härterem Wasser stärker ausgeprägt.

2. Sauerstoff plus Wasserstoff plus Kälte erzeugt Eis. Auf den ersten Blick wirkt dieser durchsichtige Stoff sehr einfach. Tatsächlich ist das Eis voller Geheimnisse. Das vom Afrikaner Erasto Mpemba geschaffene Eis dachte nicht an Ruhm. Die Tage waren heiß. Er wollte Eis am Stiel. Er nahm eine Packung Saft 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 vorher in die Sonne hält – einfach erhitzen! Seltsam, dachte der tansanische Schuljunge, der gegen die Weltweisheit handelte. Kann es sein, dass die Flüssigkeit, damit sie schneller zu Eis wird, zuerst ... erhitzt werden muss? Der junge Mann war so überrascht, dass er seine Vermutung mit dem Lehrer teilte. Er berichtete von dieser Kuriosität in der Presse.

Diese Geschichte geschah in den 1960er Jahren. Nun ist der „Mpemba-Effekt“ Wissenschaftlern bestens bekannt. 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 Luftbläschen. 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 uns so leicht vor Augen wie Eis. Es besteht nur aus Wassermolekülen – also Elementarmolekülen, die zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthalten. Eis ist jedoch vielleicht die mysteriöseste Substanz im Universum. Wissenschaftler konnten einige seiner Eigenschaften bisher nicht erklären.

2. Unterkühlung und "Flash"-Gefrieren

Jeder weiß, dass Wasser immer zu Eis wird, wenn es auf 0 °C abkühlt ... außer in einigen Fällen! Ein solcher Fall ist beispielsweise die „Unterkühlung“, die Eigenschaft von sehr reinem Wasser, auch bei Abkühlung unter den Gefrierpunkt flüssig zu bleiben. Dieses Phänomen wird dadurch möglich, dass die Umgebung keine Kristallisationszentren oder Kerne enthält, die die Bildung von Eiskristallen hervorrufen könnten. So bleibt Wasser auch bei Abkühlung auf Temperaturen unter null Grad Celsius flüssig. Der Kristallisationsprozess kann beispielsweise durch Gasblasen, Verunreinigungen (Verschmutzung), unebene Oberfläche des Behälters ausgelöst werden. Ohne sie bleibt Wasser in einem flüssigen 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 zu zögern, wie viele unterschiedliche Zustände Wasser hat?

Wenn Sie drei (fest, flüssig, gasförmig) beantwortet haben, liegen Sie falsch. Wissenschaftler unterscheiden mindestens 5 verschiedene Wasserzustände in flüssiger Form und 14 Eiszustände.

Erinnern Sie sich an das Gespräch über supergekühltes Wasser? Also, egal was Sie tun, bei -38 °C wird selbst das reinste unterkühlte Wasser plötzlich zu Eis. Was passiert bei einer weiteren Abnahme

Temperatur? 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 "glasiges" oder "glasiges" Wasser - ein fester Stoff, in dem es gibt keine kristalline Struktur.

4. Quanteneigenschaften von Wasser

Auf molekularer Ebene ist Wasser noch erstaunlicher. 1995 lieferte ein von Wissenschaftlern durchgeführtes Neutronenstreuexperiment ein unerwartetes Ergebnis: Physiker fanden heraus, 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 die chemische Formel von Wasser anstelle der üblichen - H 2 O - zu H 1,5 O wird!

5. Hat Wasser ein Gedächtnis?

Die Homöopathie, eine Alternative zur Schulmedizin, behauptet, dass eine verdünnte Lösung eines Arzneimittels eine heilende Wirkung auf den Körper haben kann, selbst wenn der Verdünnungsfaktor so groß ist, dass in der Lösung nichts als Wassermoleküle übrig bleiben. Befürworter der Homöopathie erklären dieses Paradoxon durch ein Konzept namens „Gedächtnis des Wassers“, wonach Wasser auf molekularer Ebene ein „Gedächtnis“ an die einmal darin gelöste Substanz hat und die Eigenschaften der Lösung der ursprünglichen Konzentration nach nicht a beibehält darin verbleibt ein einzelnes Molekül des Inhaltsstoffs.

Ein internationales Team 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 ein für alle Mal zu widerlegen.Das Ergebnis war das Gegenteil. Nach dem, was die Wissenschaftler sagten Sie konnten die Realität der Wirkung des „Wassergedächtnisses“ beweisen. Experimente, die unter der Aufsicht unabhängiger Experten durchgeführt wurden, brachten jedoch keine Ergebnisse. Streitigkeiten über die Existenz des Phänomens „Wassergedächtnis“ dauern an.

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

Literatur.

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

1963 stellte ein Schüler aus Tansania namens Erasto Mpemba seinem Lehrer eine dumme Frage: Warum gefriert warmes Eis in seinem Gefrierschrank schneller als kaltes?

Erasto Mpemba war Schüler der Magambin High School in Tansania und machte praktische Kocharbeiten. Er musste hausgemachtes Eis machen - Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen und dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und zögerte den ersten Teil der Aufgabe hinaus. Aus Angst, am Ende der Stunde nicht rechtzeitig zu sein, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie sogar früher als die nach einer bestimmten Technologie zubereitete Milch seiner Kameraden.

Er wandte sich zur Klärung an den Physiklehrer, lachte den Schüler aber nur aus und sagte: „Das ist keine Weltphysik, sondern die Physik von Mpemba.“ Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit gewöhnlichem Wasser.

Jedenfalls fragte er, bereits Schüler der Mkwawa High School, Professor Dennis Osborne vom University College in Daressalam (auf Einladung des Direktors der Schule, den Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) zum Thema Wasser: „Wenn Sie nehmen zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, sodass das Wasser in einem von ihnen eine Temperatur von 35 ° C und in dem anderen von 100 ° C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten Schneller. Wieso den?" Osborne interessierte sich für dieses Thema und bald darauf veröffentlichten sie 1969 zusammen mit Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift Physics Education. Der von ihnen entdeckte Effekt heißt seitdem Mpemba-Effekt.

Sind Sie neugierig zu 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 beim Gefrieren die Temperatur von kaltem Wasser passieren muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach unter gleichen Bedingungen ein heißerer Körper mehr Zeit braucht, um sich auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein kühlerer Körper, um sich auf dieselbe Temperatur abzukühlen.

Dieses Phänomen wurde seinerzeit von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt. Bis jetzt weiß niemand genau, wie man diesen seltsamen Effekt erklären kann. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber noch ist nicht klar, welche Eigenschaften dabei eine Rolle spielen: der Unterschied bei Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder die Wirkung von verflüssigten Gasen auf Wasser unterschiedliche Temperaturen. Das Paradoxe am Mpemba-Effekt ist, dass die Zeit, in der sich der Körper auf Umgebungstemperatur abkühlt, proportional zur Temperaturdifferenz zwischen diesem Körper und der Umgebung sein muss. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Ebenso kühlt Wasser bei 100°C schneller auf 0°C ab als die gleiche Menge Wasser bei 35°C.

Hier sind die von Wissenschaftlern aufgestellten Hypothesen:

Verdunstung

Heißes Wasser verdunstet schneller aus dem Behälter, wodurch sein Volumen verringert wird, und ein kleineres Wasservolumen mit derselben Temperatur gefriert schneller. Auf 100 °C erhitztes Wasser verliert 16 % seiner Masse, wenn es auf 0 °C abgekühlt wird. Der Verdunstungseffekt ist ein Doppeleffekt. Erstens wird die zum Kühlen benötigte Wassermasse reduziert. Und zweitens nimmt seine Temperatur aufgrund der Verdunstung ab.

Temperaturunterschied

Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist die Wärmeübertragung in diesem Fall intensiver und heißes Wasser kühlt schneller ab.

Unterkühlung
Wenn Wasser unter 0°C gekühlt wird, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es unterkühlen, bleibt aber bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig. In manchen Fällen kann Wasser sogar bei -20°C flüssig bleiben. Der Grund für diesen Effekt ist, dass Kristallbildungszentren benötigt werden, damit sich die ersten Eiskristalle bilden können. Wenn sie sich nicht in flüssigem Wasser befinden, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit abfällt, dass sich spontan Kristalle bilden. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, wachsen sie schneller und bilden einen 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 lässt heißes Wasser durch Unterkühlung schneller gefrieren? Bei nicht unterkühltem Kaltwasser bildet sich auf seiner Oberfläche eine dünne Eisschicht, die als Isolator zwischen Wasser und kalter Luft wirkt und so eine weitere Verdunstung verhindert. Die Bildungsrate von Eiskristallen ist in diesem Fall geringer. Im Falle von heißem Wasser, das einer Unterkühlung unterzogen wird, hat das unterkühlte Wasser keine schützende Oberflächenschicht aus Eis. 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 beim Mpemba-Effekt.
Konvektion

Kaltes Wasser beginnt von oben zu gefrieren, wodurch die Prozesse der Wärmestrahlung und -konvektion und damit der Wärmeverlust verschlechtert werden, während heißes Wasser von unten zu gefrieren beginnt. Dieser Effekt wird durch eine Anomalie in der Dichte des Wassers erklärt. Wasser hat bei 4°C eine maximale Dichte. Wenn Wasser auf 4 °C gekühlt und in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur gebracht wird, 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 Kälteschicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich für kurze Zeit eine dünne Eisschicht auf der Wasseroberfläche, die jedoch als Isolator die unteren Wasserschichten schützt, die bei 4°C bleiben. Daher wird der weitere Kühlprozess langsamer sein. Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund von Verdunstung und größeren Temperaturunterschieden schneller ab. Außerdem sind Kaltwasserschichten dichter als Heißwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche hebt. Diese Zirkulation des Wassers sorgt für einen schnellen Temperaturabfall. Aber warum erreicht dieser Prozess nicht den Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt aus Sicht der Konvektion zu erklären, sollte man davon ausgehen, dass die kalten und heißen Wasserschichten getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst fortgesetzt wird, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 °C gefallen ist. Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise für diese Hypothese, dass kalte und heiße Wasserschichten durch Konvektion getrennt sind.

in Wasser gelöste Gase

Wärmeleitfähigkeit

Dieser Mechanismus kann eine bedeutende Rolle spielen, wenn Wasser in kleinen Behältern in einen Kühlschrank mit Gefrierfach gegeben wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass der Behälter mit heißem Wasser das Eis des Gefrierschranks unter sich schmilzt, wodurch der Wärmekontakt mit der Wand des Gefrierschranks und die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden. Dadurch wird dem Warmwasserbehälter schneller Wärme entzogen als dem kalten. Der Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt keinen Schnee darunter. Alle diese (sowie andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage – welche von ihnen eine 100%ige Reproduktion des Mpemba-Effekts liefern – wurde nicht erhalten. So untersuchte beispielsweise der deutsche Physiker David Auerbach 1995 den Einfluss der Wasserunterkühlung auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, das einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als letzteres. Aber kaltes Wasser erreicht schneller einen unterkühlten Zustand als heißes Wasser und kompensiert dadurch die vorherige Verzögerung. Außerdem widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, dass heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen kann. Wenn Wasser erhitzt wird, werden darin gelöste Gase daraus entfernt, und wenn es gekocht wird, fallen einige darin gelöste Salze aus. Bisher kann nur eines behauptet werden – die Reproduktion dieses Effekts hängt maßgeblich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Und hier ist der wahrscheinlichste Grund.

Beobachtungs- und Forschungsgeschichte

Mpemba-Effekt im wirklichen Leben

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