En este artículo veremos por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.
¡El agua caliente se congela mucho más rápido que el agua fría! Este propiedad increíble El agua, cuya explicación exacta los científicos aún no pueden encontrar, se conoce desde la antigüedad. Por ejemplo, incluso en Aristóteles hay una descripción pesca de invierno: los pescadores insertaron sus cañas de pescar en los agujeros del hielo y, para que se congelaran más rápido, regaron el hielo. agua tibia. El nombre de este fenómeno lleva el nombre de Erasto Mpemba en los años 60 del siglo XX. Mnemba notó el extraño efecto mientras hacía helado y recurrió a su profesor de física, el Dr. Denis Osborn, en busca de una explicación. Mpemba y el Dr. Osborne experimentaron con agua a diferentes temperaturas y concluyeron que el agua casi hirviendo comienza a congelarse mucho más rápido que el agua. temperatura ambiente. Otros científicos han realizado sus propios experimentos y cada vez han obtenido resultados similares.
Explicación de un fenómeno físico.
No existe una explicación generalmente aceptada de por qué sucede esto. Muchos investigadores sugieren que se trata del sobreenfriamiento de un líquido, que se produce cuando su temperatura desciende por debajo del punto de congelación. En otras palabras, si el agua se congela a una temperatura inferior a 0°C, entonces el agua sobreenfriada puede tener una temperatura de, por ejemplo, -2°C y aún permanecer líquida sin convertirse en hielo. Cuando intentamos congelar agua fría, existe la posibilidad de que al principio se sobreenfríe y solo se endurezca después de un tiempo. En el agua calentada tienen lugar otros procesos. Su transformación más rápida en hielo está asociada a la convección.
Convección- Este fenómeno físico, en el que las capas inferiores cálidas del líquido suben y las superiores, enfriadas, caen.
En 1963, un escolar de Tanzania llamado Erasto Mpemba le hizo a su maestro una pregunta estúpida: ¿por qué el helado tibio se congelaba más rápido que el helado frío en su congelador?
Como estudiante de la Magamba escuela secundaria En Tanzania, Erasto Mpemba hizo trabajo practico en las artes culinarias. Tuvo que hacer helado casero: hervir la leche, disolver el azúcar, enfriarla a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. Aparentemente, Mpemba no era un estudiante particularmente diligente y pospuso las cosas en la primera parte de la tarea. Temiendo no llegar a tiempo al final de la lección, puso leche aún caliente en el refrigerador. Para su sorpresa, se congeló incluso antes que la leche de sus compañeros, preparada según una tecnología determinada.
Se dirigió al profesor de física para pedirle una aclaración, pero se limitó a reírse del estudiante y dijo lo siguiente: "Esto no es física mundial, sino la física de Mpemba". Después de eso, Mpemba experimentó no solo con leche, sino también con agua corriente.
En cualquier caso, siendo ya estudiante de la escuela secundaria Mkvava, le hizo una pregunta al profesor Dennis Osborn de Universidad en Dar es Salaam (invitado por el director de la escuela a dar una conferencia sobre física a los estudiantes) sobre el agua: “Si tomas dos recipientes idénticos con volúmenes iguales de agua de modo que en uno de ellos el agua tenga una temperatura de 35° C, y en el otro - 100 ° C, y póngalos en el congelador, luego en el segundo el agua se congelará más rápido. ¿Por qué?" Osborn se interesó por este tema y pronto, en 1969, junto con Mpemba, publicaron los resultados de sus experimentos en la revista Physics Education. Desde entonces, el efecto que descubrieron se llama efecto Mpemba.
¿Tienes curiosidad por saber por qué sucede esto? Hace apenas unos años, los científicos pudieron explicar este fenómeno …
El efecto Mpemba (Mpemba Paradox) es una paradoja que establece que el agua caliente bajo ciertas condiciones se congela más rápido que el agua fría, aunque debe superar la temperatura del agua fría en el proceso de congelación. Esta paradoja es un hecho experimental que contradice las ideas habituales según las cuales, en las mismas condiciones, un cuerpo más caliente necesita más tiempo para enfriarse a una determinada temperatura que un cuerpo más frío para enfriarse a la misma temperatura.
Este fenómeno fue notado en su momento por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes. Hasta ahora nadie sabe exactamente cómo explicar este extraño efecto. Los científicos no tienen una única versión, aunque hay muchas. Se trata de la diferencia en las propiedades del agua fría y caliente, pero aún no está claro qué propiedades juegan un papel en este caso: la diferencia en el sobreenfriamiento, la evaporación, la formación de hielo, la convección o el efecto de los gases licuados en el agua durante diferentes temperaturas. La paradoja del efecto Mpemba es que el tiempo durante el cual el cuerpo se enfría a la temperatura ambiente debe ser proporcional a la diferencia de temperatura entre este cuerpo y el medio ambiente. Esta ley fue establecida por Newton y desde entonces ha sido confirmada muchas veces en la práctica. En el mismo efecto, el agua a 100°C se enfría a 0°C más rápido que la misma cantidad de agua a 35°C.
Desde entonces se han expresado diferentes versiones, una de las cuales era la siguiente: parte del agua caliente simplemente se evapora al principio, y luego, cuando queda menos cantidad, el agua se solidifica más rápido. Esta versión, debido a su simplicidad, se convirtió en la más popular, pero los científicos no quedaron del todo satisfechos.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, dirigido por el químico Xi Zhang, dice haber resuelto el antiguo misterio de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Como descubrieron los expertos chinos, el secreto está en la cantidad de energía almacenada en los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua.
Como sabes, las moléculas de agua están formadas por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes, lo que a nivel de partícula parece un intercambio de electrones. Otro hecho conocido es que los átomos de hidrógeno son atraídos por los átomos de oxígeno de las moléculas vecinas; en este caso, se forman enlaces de hidrógeno.
Al mismo tiempo, las moléculas de agua en su conjunto se repelen entre sí. Los científicos de Singapur observaron que cuanto más caliente está el agua, mayor es la distancia entre las moléculas del líquido debido al aumento de las fuerzas repulsivas. Como resultado, los enlaces de hidrógeno se estiran y, por tanto, almacenan más energía. Esta energía se libera cuando el agua se enfría: las moléculas se acercan entre sí. Y el retorno de energía, como saben, significa enfriamiento.
Aquí están las hipótesis planteadas por los científicos:
Evaporación
El agua caliente se evapora más rápido del recipiente, lo que reduce su volumen, y un volumen menor de agua a la misma temperatura se congela más rápido. El agua calentada a 100°C pierde el 16% de su masa cuando se enfría a 0°C. El efecto de evaporación es un efecto doble. En primer lugar, se reduce la masa de agua necesaria para el enfriamiento. Y en segundo lugar, debido a la evaporación, su temperatura disminuye.
diferencia de temperatura
Porque la diferencia de temperatura entre agua caliente y más aire frío; por lo tanto, la transferencia de calor en este caso es más intensa y el agua caliente se enfría más rápido.
hipotermia
Cuando el agua se enfría por debajo de 0°C, no siempre se congela. En determinadas condiciones, puede sufrir un sobreenfriamiento sin dejar de permanecer líquido a temperaturas inferiores al punto de congelación. En algunos casos, el agua puede permanecer líquida incluso a -20°C. La razón de este efecto es que para que los primeros cristales de hielo comiencen a formarse, se necesitan centros de formación de cristales. Si no están en agua líquida, el sobreenfriamiento continuará hasta que la temperatura baje lo suficiente como para que los cristales comiencen a formarse espontáneamente. Cuando comiencen a formarse en el líquido sobreenfriado, comenzarán a crecer más rápido, formando un granizado de hielo que se congelará para formar hielo. El agua caliente es más susceptible a la hipotermia porque al calentarla se eliminan los gases y burbujas disueltos, que a su vez pueden servir como centros para la formación de cristales de hielo. ¿Por qué la hipotermia hace que el agua caliente se congele más rápido? En caso de agua fría, que no está sobreenfriado, sucede lo siguiente: se forma una fina capa de hielo en su superficie, que actúa como aislante entre el agua y el aire frío, evitando así una mayor evaporación. La tasa de formación de cristales de hielo en este caso será menor. En el caso del agua caliente sometida a subenfriamiento, el agua subenfriada no tiene una capa superficial protectora de hielo. Por lo tanto, pierde calor mucho más rápido a través de la parte superior abierta. Cuando finaliza el proceso de sobreenfriamiento y el agua se congela, se pierde mucho más calor y por tanto mas hielo. Muchos investigadores de este efecto consideran que la hipotermia es el factor principal en el caso del efecto Mpemba.
Convección
El agua fría comienza a congelarse desde arriba, empeorando así los procesos de radiación y convección de calor y, por tanto, la pérdida de calor, mientras que el agua caliente comienza a congelarse desde abajo. Este efecto se explica por una anomalía en la densidad del agua. El agua tiene una densidad máxima a 4°C. Si enfrías el agua a 4°C y la colocas en un ambiente con una temperatura más baja, la capa superficial de agua se congelará más rápido. Debido a que esta agua es menos densa que el agua a 4°C, permanecerá en la superficie, formando una fina capa fría. En estas condiciones, se formará una fina capa de hielo en la superficie del agua durante un corto tiempo, pero esta capa de hielo servirá como aislante protegiendo las capas inferiores de agua, que permanecerán a 4°C. Por lo tanto, el proceso de enfriamiento posterior será más lento. En el caso del agua caliente la situación es completamente diferente. Capa superficial el agua se enfriará más rápidamente debido a la evaporación y a una mayor diferencia de temperatura. Además, las capas de agua fría son más densas que las capas de agua caliente, por lo que la capa de agua fría se hundirá y elevará la capa. agua tibia a la superficie. Esta circulación de agua asegura un rápido descenso de la temperatura. Pero ¿por qué este proceso no llega al punto de equilibrio? Para explicar el efecto Mpemba desde el punto de vista de la convección, se supondría que las capas de agua fría y caliente están separadas y que el proceso de convección continúa después de que la temperatura promedio del agua cae por debajo de 4°C. Sin embargo, no hay evidencia experimental que respalde esta hipótesis de que las capas de agua fría y caliente estén separadas por convección.
gases disueltos en agua
El agua siempre contiene gases disueltos: oxígeno y dióxido de carbono. Estos gases tienen la capacidad de bajar el punto de congelación del agua. Cuando el agua se calienta, estos gases se liberan del agua porque su solubilidad en agua a alta temperatura abajo. Por lo tanto, cuando se enfría el agua caliente, siempre hay menos gases disueltos que en el agua fría sin calentar. Por tanto, el punto de congelación del agua calentada es mayor y se congela más rápido. Este factor se considera a veces como el principal para explicar el efecto Mpemba, aunque no existen datos experimentales que lo confirmen.
Conductividad térmica
Este mecanismo puede desempeñar un papel importante cuando se coloca agua en un frigorífico-congelador en recipientes pequeños. En estas condiciones, se ha observado que el recipiente con agua caliente derrite el hielo del congelador que se encuentra debajo, mejorando así el contacto térmico con la pared del congelador y la conductividad térmica. Como resultado, el calor se elimina del recipiente de agua caliente más rápido que del frío. A su vez, el recipiente con agua fría no derrite la nieve que se encuentra debajo. Todas estas (así como otras) condiciones se han estudiado en muchos experimentos, pero no se ha obtenido una respuesta inequívoca a la pregunta: cuál de ellas proporciona una reproducción del 100% del efecto Mpemba. Así, por ejemplo, en 1995 el físico alemán David Auerbach estudió la influencia del sobreenfriamiento del agua sobre este efecto. Descubrió que el agua caliente, al alcanzar un estado sobreenfriado, se congela a una temperatura más alta que el agua fría y, por tanto, más rápido que esta última. Pero agua fría alcanza el estado sobreenfriado más rápido que el caliente, compensando así el retraso anterior. Además, los resultados de Auerbach contradicen datos anteriores de que el agua caliente puede alcanzar un mayor sobreenfriamiento debido a que hay menos centros de cristalización. Cuando se calienta el agua, se eliminan los gases disueltos en ella, y cuando se hierve, precipitan algunas sales disueltas en ella. Hasta ahora sólo se puede afirmar una cosa: la reproducción de este efecto depende en gran medida de las condiciones en las que se lleva a cabo el experimento. Precisamente porque no siempre se reproduce.
Y esta es la razón más probable.
Como escriben los químicos en su artículo, que se puede encontrar en el sitio de preimpresión arXiv.org, los enlaces de hidrógeno se estiran con más fuerza en agua caliente que en agua fría. Por lo tanto, resulta que en los enlaces de hidrógeno del agua caliente se almacena más energía, lo que significa que se libera más energía cuando se enfría a temperaturas bajo cero. Por este motivo la congelación es más rápida.
Hasta la fecha, los científicos han resuelto este enigma sólo teóricamente. Cuando presenten pruebas convincentes de su versión, la pregunta de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría podrá considerarse cerrada.
La Real Sociedad Británica de Química ofrece una recompensa de £1.000 a quien pueda explicar con punto científico Vea por qué en algunos casos el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.
“La ciencia moderna todavía no puede responder a esta pregunta aparentemente sencilla. Los heladeros y los bartenders utilizan este efecto en su trabajo diario, pero nadie sabe realmente por qué funciona. Este problema se conoce desde hace milenios y filósofos como Aristóteles y Descartes han reflexionado sobre él”, afirmó el profesor David Philips, presidente de la Real Sociedad Británica de Química, citado en el comunicado de prensa de la sociedad.
Cómo un chef africano venció a un profesor de física británico
No es broma del día de los inocentes pero dura realidad física. La ciencia actual, que opera fácilmente en galaxias y agujeros negros, construyendo aceleradores gigantes para buscar quarks y bosones, no puede explicar cómo "funciona" el agua elemental. El libro de texto escolar afirma sin ambigüedades que se necesita más tiempo para enfriar un cuerpo caliente que para enfriar un cuerpo frío. pero para el agua esta ley no siempre se observa. Aristóteles llamó la atención sobre esta paradoja en el siglo IV a.C. mi. Esto es lo que escribió La antigua grecia en Meteorologica I: “El hecho de que el agua esté precalentada contribuye a su congelación. Por eso, muchas personas, cuando quieren enfriar rápidamente el agua caliente, primero la ponen al sol ... ”En la Edad Media, Francis Bacon y René Descartes intentaron explicar este fenómeno. Lamentablemente, ni los grandes filósofos ni los numerosos científicos que desarrollaron la física térmica clásica lo lograron y, por lo tanto, un hecho tan inconveniente fue "olvidado" durante mucho tiempo.
Y recién en 1968 “recordaron” gracias al colegial Erasto Mpemba de Tanzania, lejos de cualquier ciencia. Mientras estudiaba en una escuela de cocina, en 1963, a Mpembe, de 13 años, se le asignó la tarea de hacer helado. Según la tecnología, era necesario hervir la leche, disolver el azúcar en ella, enfriarla a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. Al parecer, Mpemba no era un estudiante diligente y dudó. Temiendo no llegar a tiempo al final de la lección, guardó la leche aún caliente en el frigorífico. Para su sorpresa, se congeló incluso antes que la leche de sus compañeros, preparada según todas las reglas.
Cuando Mpemba compartió su descubrimiento con un profesor de física, este se burló de él delante de toda la clase. Mpemba recordó el insulto. Cinco años más tarde, ya estudiante en la Universidad de Dar es Salaam, asistió a una conferencia del famoso físico Denis G. Osborn. Después de la conferencia, le hizo una pregunta al científico: “Si tomas dos recipientes idénticos con la misma cantidad de agua, uno a 35 °C (95 °F) y el otro a 100 °C (212 °F), y los pones colóquelos en el congelador, luego el agua en un recipiente caliente se congelará más rápido. ¿Por qué?" Puedes imaginar la reacción de un profesor británico ante la pregunta de un joven de la abandonada Tanzania. Se burló del estudiante. Sin embargo, Mpemba estaba preparado para tal respuesta y retó al científico a una apuesta. Su argumento culminó en una prueba experimental que demostró que Mpemba tenía razón y Osborne fue derrotado. Así, el estudiante de cocina inscribió su nombre en la historia de la ciencia y, en adelante, este fenómeno se denomina "efecto Mpemba". Descartarlo, declararlo como "inexistente" no sirve. El fenómeno existe y, como escribió el poeta, "no en el diente del pie".
¿Tienen la culpa las partículas de polvo y las sustancias disueltas?
A lo largo de los años, muchos han intentado desentrañar el misterio del agua helada. Se han propuesto muchas explicaciones para este fenómeno: evaporación, convección, influencia de los solutos, pero ninguno de estos factores puede considerarse definitivo. Varios científicos dedicaron toda su vida al efecto Mpemba. Empleado del Departamento de Seguridad Radiológica Universidad Estatal Nueva York - James Brownridge - en tiempo libre ha estado estudiando la paradoja durante más de una década. Después de realizar cientos de experimentos, el científico afirma tener pruebas de la "culpabilidad" de la hipotermia. Brownridge explica que a 0°C, el agua sólo se sobreenfría y comienza a congelarse cuando la temperatura desciende por debajo. El punto de congelación está regulado por las impurezas del agua: cambian la velocidad de formación de cristales de hielo. Las impurezas, es decir, partículas de polvo, bacterias y sales disueltas, tienen su temperatura de nucleación característica, cuando se forman cristales de hielo alrededor de los centros de cristalización. Cuando en el agua están presentes varios elementos a la vez, el punto de congelación lo determina aquel que tiene la temperatura de nucleación más alta.
Para el experimento, Brownridge tomó dos muestras de agua a la misma temperatura y las colocó en un congelador. Descubrió que una de las muestras siempre se congela antes que la otra, probablemente debido a una combinación diferente de impurezas.
Brownridge afirma que el agua caliente se enfría más rápido debido a la mayor diferencia de temperatura entre el agua y el congelador; esto la ayuda a alcanzar su punto de congelación antes de que el agua fría alcance su punto de congelación natural, que es más bajo. al menos, a 5°C.
Sin embargo, el razonamiento de Brownridge plantea muchas preguntas. Por lo tanto, aquellos que puedan explicar el efecto Mpemba a su manera tienen la oportunidad de competir por mil libras esterlinas de la Real Sociedad Británica de Química.
efecto mpemba(Paradoja de Mpemba): una paradoja que afirma que el agua caliente en determinadas condiciones se congela más rápido que el agua fría, aunque debe superar la temperatura del agua fría en el proceso de congelación. Esta paradoja es un hecho experimental que contradice las ideas habituales según las cuales, en las mismas condiciones, un cuerpo más caliente necesita más tiempo para enfriarse a una determinada temperatura que un cuerpo más frío para enfriarse a la misma temperatura.
Este fenómeno fue notado en su momento por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes, pero recién en 1963 el escolar tanzano Erasto Mpemba descubrió que una mezcla de helado caliente se congela más rápido que una fría.
Erasto Mpemba era estudiante de la escuela secundaria Magambin en Tanzania y realizaba trabajos prácticos de cocina. Tuvo que hacer helado casero: hervir la leche, disolver el azúcar, enfriarla a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. Aparentemente, Mpemba no era un estudiante particularmente diligente y pospuso las cosas en la primera parte de la tarea. Temiendo no llegar a tiempo al final de la lección, guardó la leche aún caliente en el frigorífico. Para su sorpresa, se congeló incluso antes que la leche de sus compañeros, preparada según una tecnología determinada.
Después de eso, Mpemba experimentó no solo con leche, sino también con agua corriente. En cualquier caso, siendo ya estudiante de la escuela secundaria Mkvava, preguntó al profesor Dennis Osborne del University College de Dar es Salaam (invitado por el director de la escuela a dar una conferencia sobre física a los estudiantes) sobre el agua: "Si tomas dos recipientes idénticos con volúmenes iguales de agua para que en uno de ellos el agua tenga una temperatura de 35 ° C, y en el otro - 100 ° C, y póngalos en el congelador, luego en el segundo el agua se congelará más rápido. ¿Por qué? Osborne se interesó por este tema y pronto, en 1969, junto con Mpemba, publicaron los resultados de sus experimentos en la revista "Physics Education". Desde entonces, el efecto que descubrieron se llama efecto mpemba.
Hasta ahora nadie sabe exactamente cómo explicar este extraño efecto. Los científicos no tienen una única versión, aunque hay muchas. Se trata de la diferencia en las propiedades del agua fría y caliente, pero aún no está claro qué propiedades juegan un papel en este caso: la diferencia en el sobreenfriamiento, la evaporación, la formación de hielo, la convección o el efecto de los gases licuados en el agua en diferentes temperaturas.
La paradoja del efecto Mpemba es que el tiempo durante el cual el cuerpo se enfría a la temperatura ambiente debe ser proporcional a la diferencia de temperatura entre este cuerpo y el medio ambiente. Esta ley fue establecida por Newton y desde entonces ha sido confirmada muchas veces en la práctica. En el mismo efecto, el agua a 100°C se enfría a 0°C más rápido que la misma cantidad de agua a 35°C.
Sin embargo, esto todavía no implica una paradoja, ya que el efecto Mpemba también puede explicarse dentro de la física conocida. Aquí hay algunas explicaciones para el efecto Mpemba:
Evaporación
El agua caliente se evapora más rápido del recipiente, lo que reduce su volumen, y un volumen menor de agua a la misma temperatura se congela más rápido. El agua calentada a 100 C pierde el 16% de su masa cuando se enfría a 0 C.
El efecto de evaporación es un efecto doble. En primer lugar, se reduce la masa de agua necesaria para el enfriamiento. Y en segundo lugar, la temperatura disminuye debido a que disminuye el calor de evaporación de la transición de la fase de agua a la fase de vapor.
diferencia de temperatura
Debido a que la diferencia de temperatura entre el agua caliente y el aire frío es mayor, el intercambio de calor en este caso es más intenso y el agua caliente se enfría más rápido.
hipotermia
Cuando el agua se enfría por debajo de 0 C, no siempre se congela. En determinadas condiciones, puede sufrir un sobreenfriamiento sin dejar de permanecer líquido a temperaturas inferiores al punto de congelación. En algunos casos, el agua puede permanecer líquida incluso a -20 C.
La razón de este efecto es que para que los primeros cristales de hielo comiencen a formarse, se necesitan centros de formación de cristales. Si no están en agua líquida, el sobreenfriamiento continuará hasta que la temperatura baje lo suficiente como para que los cristales comiencen a formarse espontáneamente. Cuando comiencen a formarse en el líquido sobreenfriado, comenzarán a crecer más rápido, formando un granizado de hielo que se congelará para formar hielo.
El agua caliente es más susceptible a la hipotermia porque al calentarla se eliminan los gases y burbujas disueltos, que a su vez pueden servir como centros para la formación de cristales de hielo.
¿Por qué la hipotermia hace que el agua caliente se congele más rápido? En el caso del agua fría, que no está sobreenfriada, ocurre lo siguiente. En este caso, se formará una fina capa de hielo en la superficie del recipiente. Esta capa de hielo actuará como aislante entre el agua y el aire frío y evitará una mayor evaporación. La tasa de formación de cristales de hielo en este caso será menor. En el caso del agua caliente sometida a subenfriamiento, el agua subenfriada no tiene una capa superficial protectora de hielo. Por lo tanto, pierde calor mucho más rápido a través de la parte superior abierta.
Cuando finaliza el proceso de sobreenfriamiento y el agua se congela, se pierde mucho más calor y por tanto se forma más hielo.
Muchos investigadores de este efecto consideran que la hipotermia es el factor principal en el caso del efecto Mpemba.
Convección
El agua fría comienza a congelarse desde arriba, empeorando así los procesos de radiación y convección de calor y, por tanto, la pérdida de calor, mientras que el agua caliente comienza a congelarse desde abajo.
Este efecto se explica por una anomalía en la densidad del agua. El agua tiene una densidad máxima a 4 C. Si enfrías el agua a 4 C y la pones a una temperatura más baja, la capa superficial de agua se congelará más rápido. Debido a que esta agua es menos densa que el agua a 4°C, permanecerá en la superficie, formando una fina capa fría. En estas condiciones, se formará una fina capa de hielo en la superficie del agua durante un corto tiempo, pero esta capa de hielo servirá como aislante protegiendo las capas inferiores de agua, que permanecerán a una temperatura de 4 C. Por lo tanto , un mayor enfriamiento será más lento.
En el caso del agua caliente la situación es completamente diferente. La capa superficial de agua se enfriará más rápidamente debido a la evaporación y a una mayor diferencia de temperatura. Además, las capas de agua fría son más densas que las de agua caliente, por lo que la capa de agua fría se hundirá, elevando la capa de agua tibia a la superficie. Esta circulación de agua asegura un rápido descenso de la temperatura.
Pero ¿por qué este proceso no llega al punto de equilibrio? Para explicar el efecto Mpemba desde este punto de vista de la convección, habría que suponer que las capas de agua fría y caliente están separadas y que el proceso de convección continúa después de que la temperatura promedio del agua cae por debajo de 4 C.
Sin embargo, no existe evidencia experimental que respalde esta hipótesis de que las capas de agua fría y caliente estén separadas por convección.
gases disueltos en agua
El agua siempre contiene gases disueltos: oxígeno y dióxido de carbono. Estos gases tienen la capacidad de bajar el punto de congelación del agua. Cuando el agua se calienta, estos gases se liberan del agua porque su solubilidad en agua a alta temperatura es menor. Por lo tanto, cuando se enfría el agua caliente, siempre hay menos gases disueltos que en el agua fría sin calentar. Por tanto, el punto de congelación del agua calentada es mayor y se congela más rápido. Este factor se considera a veces como el principal para explicar el efecto Mpemba, aunque no existen datos experimentales que lo confirmen.
Conductividad térmica
Este mecanismo puede desempeñar un papel importante cuando se coloca agua en un frigorífico-congelador en recipientes pequeños. En estas condiciones, se ha observado que el recipiente con agua caliente derrite el hielo del congelador que se encuentra debajo, mejorando así el contacto térmico con la pared del congelador y la conductividad térmica. Como resultado, el calor se elimina del recipiente de agua caliente más rápido que del frío. A su vez, el recipiente con agua fría no derrite la nieve que se encuentra debajo.
Todas estas (así como otras) condiciones se han estudiado en muchos experimentos, pero no se ha obtenido una respuesta inequívoca a la pregunta: cuál de ellas proporciona una reproducción del 100% del efecto Mpemba.
Así, por ejemplo, en 1995 el físico alemán David Auerbach estudió la influencia del sobreenfriamiento del agua sobre este efecto. Descubrió que el agua caliente, al alcanzar un estado sobreenfriado, se congela a una temperatura más alta que el agua fría y, por tanto, más rápido que esta última. Pero el agua fría alcanza el estado sobreenfriado más rápido que el agua caliente, compensando así el retraso anterior.
Además, los resultados de Auerbach contradicen datos anteriores de que el agua caliente puede alcanzar un mayor sobreenfriamiento debido a que hay menos centros de cristalización. Cuando se calienta el agua, se eliminan los gases disueltos en ella, y cuando se hierve, precipitan algunas sales disueltas en ella.
Hasta ahora sólo se puede afirmar una cosa: la reproducción de este efecto depende esencialmente de las condiciones en las que se lleva a cabo el experimento. Precisamente porque no siempre se reproduce.
OV Mosin
Literariofuentes:
"El agua caliente se congela más rápido que el agua fría. ¿Por qué lo hace?", Jearl Walker en The Amateur Scientist, Scientific American, vol. 237, núm. 3, págs. 246-257; Septiembre de 1977.
"La congelación de agua fría y caliente", G.S. Kell en American Journal of Physics, vol. 37, núm. 5, págs. 564-565; Mayo de 1969.
"Superenfriamiento y efecto Mpemba", David Auerbach, en American Journal of Physics, vol. 63, núm. 10, págs. 882-885; Octubre de 1995.
"El efecto Mpemba: los tiempos de congelación del agua fría y caliente", Charles A. Knight, en American Journal of Physics, vol. 64, núm. 5, pág. 524; Mayo de 1996.
El agua es uno de los líquidos más asombrosos del mundo, que tiene propiedades inusuales. Por ejemplo, hielo de Estado sólido líquido, tiene una gravedad específica más baja que el agua misma, lo que ha hecho mucho posible ocurrencia y desarrollo de la vida en la tierra. Además, en el ámbito casi científico y mundo científico Hay debates sobre qué agua se congela más rápido: fría o caliente. Quien demuestre la congelación más rápida de un líquido caliente en ciertas condiciones y fundamente científicamente su decisión, recibirá un premio de 1.000 libras de la Real Sociedad Británica de Químicos.
Fondo
El hecho de que, en determinadas condiciones, el agua caliente supera al agua fría en términos de índice de congelación, ya se observó en la Edad Media. Francis Bacon y René Descartes se han esforzado mucho en explicar este fenómeno. Sin embargo, desde el punto de vista de la ingeniería térmica clásica, esta paradoja no se puede explicar y trataron de silenciarla tímidamente. El impulso para la continuación de la disputa fue una historia un tanto curiosa que le sucedió al colegial tanzaniano Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) en 1963. Una vez, durante una lección de preparación de postres en una escuela de cocina, un niño, distraído por otras cosas, no tuvo tiempo de enfriar a tiempo la mezcla de helado y poner en el congelador una solución de azúcar y leche caliente. Para su sorpresa, el producto se enfrió algo más rápido que el de sus compañeros practicantes que observaron régimen de temperatura preparación de helado.
Tratando de comprender la esencia del fenómeno, el niño recurrió a un profesor de física, quien, sin entrar en detalles, ridiculizó sus experimentos culinarios. Sin embargo, Erasto se distinguió por una perseverancia envidiable y continuó sus experimentos ya no con leche, sino con agua. Aseguró que en algunos casos el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.
Al ingresar a la Universidad de Dar es Salaam, Erasto Mpembe asistió a una conferencia del profesor Dennis G. Osborne. Después de graduarse, el estudiante desconcertó al científico con el problema de la tasa de congelación del agua en función de su temperatura. D.G. Osborne ridiculizó el planteamiento mismo de la pregunta, afirmando con aplomo que cualquier perdedor sabe que el agua fría se congelará más rápido. Sin embargo, la tenacidad natural del joven se hizo sentir. Hizo una apuesta con el profesor, ofreciéndose a realizar una prueba experimental aquí, en el laboratorio. Erasto colocó dos recipientes con agua en el congelador, uno a 95°F (35°C) y el otro a 212°F (100°C). Cuál fue la sorpresa del profesor y los "fanáticos" que lo rodeaban cuando el agua del segundo recipiente se congeló más rápido. Desde entonces, este fenómeno se ha denominado la "paradoja de Mpemba".
Sin embargo, hasta la fecha no existe ninguna hipótesis teórica coherente que explique la "paradoja de Mpemba". No está claro qué factores externos composición química agua, la presencia de gases disueltos y minerales en ella afecta la velocidad de congelación de líquidos a diferentes temperaturas. La paradoja del "efecto Mpemba" es que contradice una de las leyes descubiertas por I. Newton, que establece que el tiempo de enfriamiento del agua es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el líquido y el medio ambiente. Y si todos los demás líquidos están completamente sujetos a esta ley, entonces el agua en algunos casos es una excepción.
¿Por qué el agua caliente se congela más rápido?t
Existen varias versiones de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Los principales son:
- el agua caliente se evapora más rápido, mientras que su volumen disminuye y un volumen menor de líquido se enfría más rápido: cuando el agua se enfría de + 100 ° С a 0 ° С, las pérdidas de volumen durante presión atmosférica alcanzar el 15%;
- la tasa de intercambio de calor entre el líquido y ambiente el mayor que más diferencia temperaturas, por lo que la pérdida de calor del agua hirviendo pasa más rápido;
- cuando el agua caliente se enfría, se forma una costra de hielo en su superficie, lo que evita que el líquido se congele y se evapore por completo;
- a alta temperatura del agua, se mezcla por convección, lo que reduce el tiempo de congelación;
- Los gases disueltos en agua reducen el punto de congelación, consumiendo energía para la formación de cristales; no hay gases disueltos en el agua caliente.
Todas estas condiciones han sido sometidas a repetidas verificaciones experimentales. En particular, el científico alemán David Auerbach descubrió que la temperatura de cristalización del agua caliente es ligeramente superior a la del agua fría, lo que permite congelar la primera más rápidamente. Sin embargo, más tarde sus experimentos fueron criticados y muchos científicos están convencidos de que el "efecto Mpemba", según el cual el agua se congela más rápido, ya sea caliente o fría, sólo puede reproducirse bajo ciertas condiciones, que hasta ahora nadie ha buscado ni concretado.
