Qué agua se congela más rápido, caliente o fría, depende de muchos factores, pero la pregunta en sí parece un poco extraña. Se entiende, y se sabe por la física, que el agua caliente aún necesita tiempo para enfriarse a la temperatura del agua fría comparable para convertirse en hielo. El agua fría puede saltarse esta etapa y, en consecuencia, gana en el tiempo.
Pero la respuesta a la pregunta de qué agua se congela más rápido, fría o caliente, en la calle con escarcha, cualquier residente sabe latitudes del norte. De hecho, científicamente, resulta que, en cualquier caso, el agua fría simplemente tiene que congelarse más rápido.
Lo mismo hizo el profesor de física, a quien el colegial Erasto Mpemba se acercó en 1963 para pedirle que explicara por qué la mezcla fría del futuro helado se congela más tiempo que una similar, pero caliente.
"Esto no es física mundial, sino algún tipo de física Mpemba"
En ese momento, el profesor solo se rió de esto, pero Deniss Osborne, profesor de física, quien en un momento fue a la misma escuela donde estudió Erasto, confirmó experimentalmente la existencia de tal efecto, aunque no había explicación para esto entonces. . En 1969, en el popular periódico científico publicó un artículo conjunto de estas dos personas que describían este peculiar efecto.
Desde entonces, por cierto, la cuestión de qué agua se congela más rápido, caliente o fría, tiene su propio nombre: el efecto, o paradoja, Mpemba.
La pregunta ha estado rondando por mucho tiempo.
Naturalmente, tal fenómeno ha tenido lugar antes y se mencionó en los trabajos de otros científicos. No solo el escolar estaba interesado en esta pregunta, sino que René Descartes e incluso Aristóteles pensaron en ella en algún momento.
Estos son solo enfoques para resolver esta paradoja que comenzaron a verse solo a fines del siglo XX.
Condiciones para que ocurra una paradoja
Al igual que con el helado, no es solo el agua común la que se congela durante el experimento. Ciertas condiciones deben estar presentes para comenzar a discutir qué agua se congela más rápido: fría o caliente. ¿Qué influye en este proceso?
Ahora, en pleno siglo XXI, se han planteado varias opciones que pueden explicar esta paradoja. Qué agua se congela más rápido, caliente o fría, puede depender del hecho de que tiene una tasa de evaporación más alta que el agua fría. Por lo tanto, su volumen disminuye, y con una disminución de volumen, el tiempo de congelación se vuelve más corto que si tomamos un volumen inicial similar de agua fría.
El congelador lleva mucho tiempo descongelado
Qué agua se congela más rápido y por qué lo hace, puede verse afectada por el revestimiento de nieve que puede estar presente en el congelador del refrigerador utilizado para el experimento. Si tomamos dos recipientes que son idénticos en volumen, pero uno de ellos contendrá agua caliente, y en el otro - frío, un recipiente con agua caliente derrite la nieve debajo de él, mejorando así el contacto del nivel térmico con la pared del refrigerador. contenedor con agua fría no puedo hacer esto Si no hay tal revestimiento con nieve en el refrigerador, el agua fría debería congelarse más rápido.
Arriba - abajo
Además, el fenómeno por el cual el agua se congela más rápido, caliente o fría, se explica a continuación. Siguiendo ciertas leyes, el agua fría comienza a congelarse desde las capas superiores, mientras que el agua caliente lo hace al revés: comienza a congelarse de abajo hacia arriba. Al mismo tiempo, resulta que el agua fría, al tener una capa fría encima con hielo ya formado en algunos lugares, perjudica los procesos de convección y Radiación termal, explicando así qué agua se congela más rápido: fría o caliente. Se adjunta una foto de experimentos de aficionados, y aquí es claramente visible.
El calor se apaga, tendiendo hacia arriba, y allí se encuentra con una capa muy fría. No hay camino libre para la radiación de calor, por lo que el proceso de enfriamiento se vuelve difícil. El agua caliente no tiene absolutamente ninguna barrera de este tipo en su camino. Cuál se congela más rápido: frío o caliente, del cual depende el resultado probable, puede ampliar la respuesta diciendo que cualquier agua tiene ciertas sustancias disueltas.
Impurezas en la composición del agua como factor que influye en el resultado
Si no hace trampa y usa agua con la misma composición, donde las concentraciones de ciertas sustancias son idénticas, entonces el agua fría debería congelarse más rápido. Pero si ocurre una situación cuando el disuelto elementos químicos disponible solo en agua caliente, mientras que el agua fría no los tiene, entonces existe la posibilidad de que el agua caliente se congele antes. Esto se explica por el hecho de que las sustancias disueltas en el agua crean centros de cristalización, y con un pequeño número de estos centros, la transformación del agua en un estado sólido es difícil. Incluso es posible el sobreenfriamiento del agua, en el sentido de que a temperaturas bajo cero estará en estado liquido.
Pero todas estas versiones, aparentemente, no se adaptaron a los científicos hasta el final, y continuaron trabajando en este tema. En 2013, un equipo de investigadores en Singapur dijo que había resuelto el antiguo misterio.
Un grupo de científicos chinos afirman que el secreto de este efecto radica en la cantidad de energía que se almacena entre las moléculas de agua en sus enlaces, llamados enlaces de hidrógeno.
La respuesta de los científicos chinos.
Seguirá más información, para cuya comprensión es necesario tener algún conocimiento en química para determinar qué agua se congela más rápido: caliente o fría. Como sabes, consta de dos átomos de H (hidrógeno) y un átomo de O (oxígeno) unidos por enlaces covalentes.
Pero los átomos de hidrógeno de una molécula también son atraídos por las moléculas vecinas, por su componente de oxígeno. Estos enlaces se llaman enlaces de hidrógeno.
Al mismo tiempo, vale la pena recordar que, al mismo tiempo, las moléculas de agua actúan repulsivamente entre sí. Los científicos notaron que cuando el agua se calienta, la distancia entre sus moléculas aumenta, y esto se ve facilitado por las fuerzas de repulsión. Resulta que ocupando una distancia entre moléculas en estado frío, se puede decir que se estiran, y tienen mayor aporte de energía. Es esta reserva de energía la que se libera cuando las moléculas de agua comienzan a acercarse, es decir, se produce el enfriamiento. Resulta que un mayor suministro de energía en el agua caliente, y su mayor liberación cuando se enfría a temperaturas bajo cero, ocurre más rápido que en el agua fría, que tiene un menor suministro de dicha energía. Entonces, ¿qué agua se congela más rápido, fría o caliente? En la calle y en el laboratorio, debería ocurrir la paradoja de Mpemba, y el agua caliente debería convertirse en hielo más rápido.
Pero la pregunta sigue abierta.
Solo hay una confirmación teórica de esta pista: todo esto está escrito en hermosas fórmulas y parece plausible. Pero cuando los datos experimentales, qué agua se congela más rápido, caliente o fría, se pongan en un sentido práctico y se presenten sus resultados, entonces será posible considerar cerrada la cuestión de la paradoja de Mpemba.
En la buena y antigua fórmula H 2 O, parecería que no hay secretos. Pero, de hecho, el agua, la fuente de vida y el líquido más famoso del mundo, está plagada de muchos misterios que a veces ni siquiera los científicos pueden resolver.
Aquí están los 5 más datos interesantes sobre el agua:
1. El agua caliente se congela más rápido que el agua fría
Tome dos recipientes de agua: vierta agua caliente en uno y agua fría en el otro, y colóquelos en el congelador. El agua caliente se congelará más rápido que el agua fría, aunque lógicamente, el agua fría debería haberse convertido primero en hielo: después de todo, el agua caliente primero debe enfriarse a temperatura fría y luego convertirse en hielo, mientras que el agua fría no necesita enfriarse. ¿Por qué está pasando esto?
En 1963, Erasto B. Mpemba, estudiante de secundaria escuela secundaria en Tanzania, al congelar una mezcla de helado preparada, noté que la mezcla caliente se endurece más rápido en el congelador que la fría. Cuando el joven compartió su descubrimiento con un profesor de física, este solo se rió de él. Afortunadamente, el alumno fue persistente y persuadió al maestro para que realizara un experimento, que confirmó su descubrimiento: en ciertas condiciones El agua caliente en realidad se congela más rápido que el agua fría.
Ahora bien, este fenómeno del agua caliente que se congela más rápido que el agua fría se llama efecto Mpemba. Cierto, mucho antes propiedad única El agua fue señalada por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes.
Los científicos no entienden completamente la naturaleza de este fenómeno, y lo explican por la diferencia en la hipotermia, la evaporación, la formación de hielo, la convección o el efecto de los gases licuados en el agua fría y caliente.
Nota de Х.RU sobre el tema "El agua caliente se congela más rápido que el agua fría".
Dado que los problemas de enfriamiento están más cerca de nosotros, los refrigeradores, nos permitiremos profundizar en la esencia de este problema y dar dos opiniones sobre la naturaleza de tal fenómeno misterioso.
1. Un científico de la Universidad de Washington ha ofrecido una explicación para un fenómeno misterioso conocido desde la época de Aristóteles: por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.
El fenómeno, llamado efecto Mpemba, es ampliamente utilizado en la práctica. Por ejemplo, los expertos aconsejan a los automovilistas que viertan agua fría en lugar de agua caliente en el depósito de la lavadora en invierno. Pero, ¿qué subyace a este fenómeno? largo tiempo permaneció desconocido.
El Dr. Jonathan Katz de la Universidad de Washington investigó este fenómeno y concluyó que papel importante se trata de sustancias disueltas en agua, que precipitan al calentarse, según EurekAlert.
Bajo disuelto sustancias dr Katz se refiere a los bicarbonatos de calcio y magnesio que se encuentran en el agua dura. Cuando el agua se calienta, estas sustancias se precipitan y forman incrustaciones en las paredes de la tetera. El agua que nunca ha sido calentada contiene estas impurezas. A medida que se congela y se forman cristales de hielo, la concentración de impurezas en el agua aumenta 50 veces. Esto reduce el punto de congelación del agua. "Y ahora el agua tiene que enfriarse para congelarse", explica el Dr. Katz.
Hay una segunda razón que evita la congelación del agua sin calentar. Bajar el punto de congelación del agua reduce la diferencia de temperatura entre las fases sólida y líquida. "Debido a que la velocidad a la que el agua pierde calor depende de esta diferencia de temperatura, es menos probable que el agua que no se ha calentado se enfríe", dice el Dr. Katz.
Según el científico, su teoría puede probarse experimentalmente, porque. el efecto Mpemba se vuelve más pronunciado para aguas más duras.
2. El oxígeno más el hidrógeno más el frío crean hielo. A primera vista, esta sustancia transparente parece muy simple. De hecho, el hielo está plagado de muchos misterios. El hielo creado por el africano Erasto Mpemba no pensó en la gloria. Los días eran calurosos. Él quería hielo de frutas. Tomó un cartón de jugo y lo puso en el congelador. Hizo esto más de una vez y, por lo tanto, notó que el jugo se congela especialmente rápido, si lo mantiene al sol antes de eso, ¡simplemente caliéntelo! Esto es extraño, pensó el escolar tanzano, que actuó en contra de la sabiduría mundana. ¿Es posible que para que el líquido se convierta en hielo más rápido, primero debe... calentarse? El joven estaba tan sorprendido que compartió su suposición con el maestro. Denunció esta curiosidad en la prensa.
Esta historia sucedió en la década de 1960. Ahora el "efecto Mpemba" es bien conocido por los científicos. Pero durante mucho tiempo este fenómeno aparentemente simple siguió siendo un misterio. ¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría?
No fue hasta 1996 que el físico David Auerbach encontró una solución. Para responder a esta pregunta, realizó un experimento durante todo un año: calentó agua en un vaso y la enfrió nuevamente. Entonces, ¿qué descubrió? Cuando se calienta, las burbujas de aire disueltas en agua se evaporan. El agua desprovista de gases se congela más fácilmente en las paredes del recipiente. "Por supuesto, el agua con un alto contenido de aire también se congelará", dice Auerbach, "pero no a cero grados centígrados, sino solo entre menos cuatro y seis grados". Por supuesto, tendrás que esperar más. Entonces, el agua caliente se congela antes que el agua fría, esto es un hecho científico.
Difícilmente hay una sustancia que aparezca ante nuestros ojos con la misma facilidad que el hielo. Consiste únicamente en moléculas de agua, es decir, moléculas elementales que contienen dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Sin embargo, el hielo es quizás la sustancia más misteriosa del universo. Los científicos no han podido explicar algunas de sus propiedades hasta el momento.
2. Superenfriamiento y congelación "flash"
Todo el mundo sabe que el agua siempre se convierte en hielo cuando se enfría a 0 °C... ¡excepto en algunos casos! Tal caso, por ejemplo, es el "sobreenfriamiento", que es una propiedad de muy agua limpia permanecen líquidos incluso cuando se enfrían por debajo del punto de congelación. Este fenómeno es posible por el hecho de que Medioambiente no contiene centros o núcleos de cristalización, que puedan provocar la formación de cristales de hielo. Y así el agua permanece en forma líquida, incluso cuando se enfría a temperaturas bajo cero grados centígrados. El proceso de cristalización puede desencadenarse, por ejemplo, por burbujas de gas, impurezas (contaminación), superficie irregular del recipiente. Sin ellos, el agua permanecerá en estado líquido. Cuando comienza el proceso de cristalización, puede observar cómo el agua súper enfriada se convierte instantáneamente en hielo.
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Comentario. El agua sobrecalentada también permanece líquida incluso cuando se calienta por encima de su punto de ebullición.
3. Agua de "vaso"
Rápidamente y sin dudarlo, nombre cuánto diferentes estados tiene el agua?
Si respondió tres (sólido, líquido, gas), entonces está equivocado. Los científicos distinguen al menos 5 estados diferentes de agua en forma líquida y 14 estados de hielo.
¿Recuerdas la conversación sobre el agua súper enfriada? Entonces, hagas lo que hagas, a -38 °C, incluso el agua superenfriada más pura se convierte repentinamente en hielo. ¿Qué sucede con una mayor disminución?
¿la temperatura? A -120 °C, algo extraño comienza a sucederle al agua: se vuelve superviscosa o viscosa, como la melaza, y a temperaturas inferiores a -135 °C se convierte en agua "vidriada" o "vidriada", una sustancia sólida en la que no hay estructura cristalina.
4. Propiedades cuánticas del agua
A nivel molecular, el agua es aún más sorprendente. En 1995, un experimento de dispersión de neutrones realizado por científicos dio un resultado inesperado: los físicos descubrieron que los neutrones dirigidos a las moléculas de agua "ven" un 25 % menos de protones de hidrógeno de lo esperado.
Resultó que a la velocidad de un attosegundo (10 -18 segundos) se produce un efecto cuántico inusual, y fórmula química¡el agua en lugar de lo habitual - H 2 O, se convierte en H 1.5 O!
5. ¿El agua tiene memoria?
La homeopatía, una alternativa a la medicina convencional, afirma que una solución diluida producto medicinal puede tener un efecto terapéutico en el cuerpo, incluso si el factor de dilución es tan grande que no queda nada en la solución más que moléculas de agua. Los defensores de la homeopatía explican esta paradoja con un concepto llamado "memoria del agua", según el cual el agua a nivel molecular tiene una "memoria" de la sustancia una vez disuelta en ella y retiene las propiedades de la solución de la concentración original después de no un una sola molécula del ingrediente permanece en él.
Un equipo internacional de científicos dirigido por la profesora Madeleine Ennis de la Queen's University of Belfast, que criticaba los principios de la homeopatía, realizó un experimento en 2002 para refutar este concepto de una vez por todas. El resultado fue todo lo contrario. Después de lo cual, los científicos dijeron que pudieron demostrar la realidad del efecto de la "memoria del agua". Sin embargo, los experimentos realizados bajo la supervisión de expertos independientes no dieron resultados. Las disputas sobre la existencia del fenómeno de la "memoria del agua" continúan.
El agua tiene muchas otras propiedades inusuales que no hemos cubierto en este artículo.
Literatura.
1. 5 cosas realmente extrañas sobre el agua / http://www.neatorama.com.
2. El misterio del agua: se creó la teoría del efecto Aristóteles-Mpemba / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Secretos de la naturaleza inanimada. La sustancia más misteriosa del universo / http://www.bibliotekar.ru.
Muchos investigadores han presentado y presentan sus propias versiones de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Parecería una paradoja: después de todo, para congelar, el agua caliente primero debe enfriarse. Sin embargo, el hecho permanece, y los científicos lo explican de diferentes maneras.
Versiones principales
En este momento Hay varias versiones que explican este hecho:
- Dado que la evaporación en agua caliente es más rápida, su volumen disminuye. Una cantidad menor de agua a la misma temperatura se congela más rápido.
- El compartimento congelador del frigorífico tiene un revestimiento de nieve. Un recipiente que contiene agua caliente derrite la nieve que hay debajo. Esto mejora el contacto térmico con el congelador.
- La congelación del agua fría, a diferencia de la caliente, comienza desde arriba. En este caso, empeoran la convección y la radiación de calor y, en consecuencia, la pérdida de calor.
- En agua fría hay centros de cristalización, sustancias disueltas en ella. Con un pequeño contenido de ellos en agua, la formación de hielo es difícil, aunque al mismo tiempo es posible su hipotermia, cuando tiene un estado líquido a temperaturas bajo cero.
Aunque es justo decir que este efecto no siempre observado. El agua fría a menudo se congela más rápido que el agua caliente.
a que temperatura se congela el agua
¿Por qué el agua se congela en absoluto? Contiene una cierta cantidad de partículas minerales u orgánicas. Estos, por ejemplo, pueden ser partículas muy finas de arena, polvo o arcilla. A medida que desciende la temperatura del aire, estas partículas se convierten en centros alrededor de los cuales se forman cristales de hielo.
El papel de los núcleos de cristalización también puede ser realizado por burbujas de aire y grietas en un recipiente que contiene agua. La velocidad del proceso de convertir el agua en hielo está influenciada en gran medida por la cantidad de dichos centros; si hay muchos de ellos, el líquido se congela más rápido. En condiciones normales, con normal presión atmosférica, el agua entra de Estado sólido líquido a 0 grados.
La esencia del efecto Mpemba
El efecto Mpemba se entiende como una paradoja, cuya esencia es que, en determinadas circunstancias, el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Este fenómeno fue advertido por Aristóteles y Descartes. Sin embargo, no fue sino hasta 1963 que Erasto Mpemba, un escolar de Tanzania, determinó que el helado caliente se congela en más de un tiempo corto que frio Hizo tal conclusión mientras realizaba la tarea de cocinar.
Tuvo que disolver azúcar en leche hervida y, después de enfriarla, colocarla en el refrigerador para que se congelara. Aparentemente, Mpemba no se diferenció en la diligencia especial y comenzó tarde a realizar la primera parte de la tarea. Por lo tanto, no esperó a que la leche se enfriara y la metió en el refrigerador caliente. Se sorprendió mucho cuando se congeló incluso más rápido que el de sus compañeros de clase, quienes hicieron el trabajo de acuerdo con la tecnología dada.
Este hecho interesó mucho al joven, y comenzó a experimentar con agua corriente. En 1969, la revista Physics Education publicó los resultados de la investigación realizada por Mpemba y el profesor Dennis Osborn de la Universidad de Dar es Salaam. El efecto que describieron recibió el nombre de Mpemba. Sin embargo, aún hoy no existe una explicación clara para el fenómeno. Todos los científicos están de acuerdo en que el papel principal en esto pertenece a las diferencias en las propiedades del agua fría y caliente, pero se desconoce exactamente qué.
Versión de Singapur
Los físicos de una de las universidades de Singapur también estaban interesados en la pregunta, ¿qué agua se congela más rápido, caliente o fría? Un equipo de investigadores dirigido por Xi Zhang explicó esta paradoja precisamente por las propiedades del agua. Todos todavía conocen la composición del agua de la escuela: un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. El oxígeno, en cierta medida, extrae electrones del hidrógeno, por lo que la molécula es un cierto tipo de "imán".
Como resultado, ciertas moléculas en el agua se atraen ligeramente entre sí y están unidas por un enlace de hidrógeno. Su fuerza es muchas veces menor que el enlace covalente. Investigadores de Singapur creen que la explicación de la paradoja de Mpemba radica precisamente en los enlaces de hidrógeno. Si las moléculas de agua se colocan muy juntas, entonces una interacción tan fuerte entre las moléculas puede deformar el enlace covalente en el medio de la molécula misma.
Pero cuando se calienta el agua, las moléculas unidas se alejan ligeramente unas de otras. Como resultado, la relajación de los enlaces covalentes ocurre en el medio de las moléculas con el retorno del exceso de energía y la transición a la más baja. nivel de energía. Esto lleva al hecho de que el agua caliente comienza a enfriarse rápidamente. Por al menos, así lo demuestran los cálculos teóricos realizados por científicos singapurenses.
Congelación Instantánea de Agua - 5 Trucos Increíbles: Video
efecto mpemba(Paradoja de Mpemba) es una paradoja que establece que el agua caliente bajo ciertas condiciones se congela más rápido que el agua fría, aunque debe pasar 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 hasta una determinada temperatura que un cuerpo más frío para enfriarse hasta la misma temperatura.
Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes notaron este fenómeno en ese momento, pero solo en 1963, el escolar tanzano Erasto Mpemba descubrió que una mezcla de helado caliente se congela más rápido que una fría.
Como estudiante en la Escuela Secundaria Magamba en Tanzania, Erasto Mpemba hizo trabajo practico en las artes culinarias. Tenía que hacer helado casero: hervir la leche, disolver el azúcar en ella, enfriarla hasta temperatura ambiente y luego colocar en el refrigerador para congelar. Aparentemente, Mpemba no era un estudiante particularmente diligente y postergó la primera parte de la tarea. Temiendo no llegar a tiempo al final de la lección, puso la leche aún caliente en el refrigerador. Para su sorpresa, se congeló incluso antes que la leche de sus camaradas, preparada según una determinada tecnología.
Después de eso, Mpemba experimentó no solo con leche, sino también con agua ordinaria. En cualquier caso, ya siendo 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 para 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 sola 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. 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 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 con 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 doble efecto. En primer lugar, se reduce la masa de agua necesaria para la refrigeración. Y en segundo lugar, la temperatura disminuye debido al hecho de que disminuye el calor de evaporación de la transición de la fase de agua a la fase de vapor.
diferencia de temperatura
Debido al hecho de 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. Bajo ciertas condiciones, puede sufrir un sobreenfriamiento mientras continúa siendo líquido a temperaturas por debajo del punto de congelación. En algunos casos, el agua puede permanecer líquida incluso a -20 C.
La razón de este efecto es que para que comiencen a formarse los primeros cristales de hielo, 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 disueltos y las burbujas, 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 de 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 lo 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, lo que empeora los procesos de radiación y convección de calor y, por lo 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 enfría el agua a 4 C y la pone 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 , el proceso de enfriamiento adicional 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 mas diferencia temperaturas 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 alcanza el 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 se separan y que el proceso de convección continúa después de que la temperatura media del agua desciende por debajo de los 4 C.
Sin embargo, no hay evidencia experimental que respalde esta hipótesis de que las capas de agua fría y caliente se separan por convección.
gases disueltos en agua
El agua siempre contiene gases disueltos en ella: 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 debido a su solubilidad en agua a alta temperatura debajo. Por lo tanto, cuando se enfría agua caliente, siempre hay menos gases disueltos en ella que en agua fría sin calentar. Por lo tanto, el punto de congelación del agua calentada es más alto 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 confirmen este hecho.
Conductividad térmica
Este mecanismo puede desempeñar un papel importante cuando se coloca agua en un congelador frigorífico 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 recipiente de agua fría. A su vez, el recipiente con agua fría no derrite la nieve 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 lo 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 contradijeron los datos anteriores de que el agua caliente puede lograr un mayor sobreenfriamiento debido a la menor cantidad de centros de cristalización. Cuando se calienta el agua, se le quitan los gases disueltos en ella, y cuando se hierve, precipitan algunas sales disueltas en ella.
Hasta ahora, solo 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.
Agua- una sustancia bastante simple desde el punto de vista químico, sin embargo, tiene una serie de propiedades inusuales que nunca dejan de sorprender a los científicos. A continuación se presentan algunos hechos que pocas personas conocen.
1. ¿Qué agua se congela más rápido, fría o caliente?
Tome dos recipientes de agua: vierta agua caliente en uno y agua fría en el otro, y colóquelos en el congelador. El agua caliente se congelará más rápido que el agua fría, aunque lógicamente, el agua fría debería haberse convertido primero en hielo: después de todo, el agua caliente primero debe enfriarse a temperatura fría y luego convertirse en hielo, mientras que el agua fría no necesita enfriarse. ¿Por qué está pasando esto?
En 1963, un estudiante de Tanzania llamado Erasto B. Mpemba, mientras congelaba una mezcla de helado preparada, notó que la mezcla caliente se solidificaba más rápido en el congelador que la fría. Cuando el joven compartió su descubrimiento con un profesor de física, este solo se rió de él. Afortunadamente, el alumno fue persistente y convenció al maestro para que realizara un experimento, que confirmó su descubrimiento: bajo ciertas condiciones, el agua caliente realmente se congela más rápido que el agua fría.
Ahora bien, este fenómeno del agua caliente que se congela más rápido que el agua fría se llama " efecto mpemba". Es cierto que, mucho antes que él, Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes señalaron esta propiedad única del agua.
Los científicos no entienden completamente la naturaleza de este fenómeno, y lo explican por la diferencia en la hipotermia, la evaporación, la formación de hielo, la convección o el efecto de los gases licuados en el agua fría y caliente.
2. Es capaz de congelarse instantáneamente.
Todos saben eso agua siempre se convierte en hielo cuando se enfría a 0 °C... ¡excepto en algunos casos! Tal caso es, por ejemplo, el sobreenfriamiento, que es la propiedad del agua muy pura de permanecer líquida incluso cuando se enfría a una temperatura por debajo del punto de congelación. Este fenómeno es posible debido a que el ambiente no contiene centros de cristalización o núcleos que puedan provocar la formación de cristales de hielo. Y así el agua permanece en forma líquida, incluso cuando se enfría a temperaturas bajo cero grados centígrados.
proceso de cristalización puede ser provocada, por ejemplo, por burbujas de gas, impurezas (contaminación), superficie irregular del recipiente. Sin ellos, el agua permanecerá en estado líquido. Cuando comienza el proceso de cristalización, puede observar cómo el agua súper enfriada se convierte instantáneamente en hielo.
Tenga en cuenta que el agua "sobrecalentada" también permanece líquida incluso cuando se calienta por encima de su punto de ebullición.
3. 19 estados de agua
Sin dudarlo, nombra cuántos estados diferentes tiene el agua. Si respondió tres: sólido, líquido, gaseoso, entonces está equivocado. Los científicos distinguen al menos 5 estados diferentes de agua en forma líquida y 14 estados en forma congelada.
¿Recuerdas la conversación sobre el agua súper enfriada? Entonces, hagas lo que hagas, a -38 °C, incluso el agua superenfriada más pura se convertirá repentinamente en hielo. ¿Qué sucede cuando la temperatura desciende aún más? A -120°C, algo extraño comienza a sucederle al agua: se vuelve superviscosa o viscosa, como la melaza, y a temperaturas inferiores a -135°C, se convierte en agua "vidriada" o "vidriosa", un sólido que carece estructura cristalina.
4. El agua sorprende a los físicos
A nivel molecular, el agua es aún más sorprendente. En 1995, un experimento de dispersión de neutrones realizado por científicos dio un resultado inesperado: los físicos descubrieron que los neutrones dirigidos a las moléculas de agua "ven" un 25 % menos de protones de hidrógeno de lo esperado.
Resultó que a la velocidad de un attosegundo (10 -18 segundos) se produce un efecto cuántico inusual y la fórmula química del agua en lugar de H2O, se convierte en H1.5O!
5. Memoria del agua
Alternativa a la medicina oficial homeopatía argumenta que una solución diluida de un fármaco puede tener un efecto terapéutico en el cuerpo, incluso si el factor de dilución es tan grande que no queda nada en la solución excepto moléculas de agua. Los defensores de la homeopatía explican esta paradoja con un concepto llamado " memoria del agua”, según la cual el agua a nivel molecular tiene una “memoria” de una sustancia una vez disuelta en ella y retiene las propiedades de una solución de la concentración inicial después de que no queda ni una sola molécula de ingrediente en ella.
Un equipo internacional de científicos dirigido por la profesora Madeleine Ennis de la Queen's University of Belfast, que criticó los principios de la homeopatía, realizó un experimento en 2002 para refutar el concepto de una vez por todas. El resultado fue todo lo contrario. Después de eso, los científicos dijeron que lograron probar la realidad del efecto " memoria del agua". Sin embargo, los experimentos realizados bajo la supervisión de expertos independientes no dieron resultados. Disputas sobre la existencia del fenómeno” memoria del agua" Seguir.
El agua tiene muchas otras propiedades inusuales que no hemos cubierto en este artículo. Por ejemplo, la densidad del agua varía con la temperatura (la densidad del hielo es menor que la del agua); el agua tiene una tensión superficial bastante grande; en estado líquido, el agua es una red compleja y dinámicamente cambiante de grupos de agua, y es el comportamiento de los grupos lo que afecta la estructura del agua, etc.
Sobre estas y muchas otras características inesperadas agua se puede leer en el articulo Propiedades anómalas del agua.”, cuyo autor es Martin Chaplin, profesor de la Universidad de Londres.
