Lo que no sabías sobre el agua. Video: qué agua se congela más rápido: caliente o fría
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 helada, cualquier habitante de las latitudes del norte lo sabe. 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, una revista científica popular publicó un artículo conjunto de los dos hombres que describían este efecto peculiar.
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. Resulta que el agua fría, que tiene una capa fría encima con hielo ya formado en algunos lugares, empeora los procesos de convección y radiación térmica, lo que explica 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 superenfriamiento del agua, en el sentido de que a temperaturas bajo cero estará en estado líquido.
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 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! Esta asombrosa propiedad del agua, cuya explicación exacta aún no encuentran los científicos, se conoce desde la antigüedad. Por ejemplo, incluso en Aristóteles hay una descripción de la pesca de invierno: los pescadores insertaban cañas de pescar en agujeros en el hielo y, para que se congelaran más rápido, vertían agua tibia sobre el hielo. 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 se dirigió a su profesor de física, el Dr. Denis Osborn, en busca de una explicación. Mpemba y el Dr. Osborn experimentaron con agua diferentes temperaturas y concluyó: el agua casi hirviendo comienza a congelarse mucho más rápido que el agua a temperatura ambiente. Otros científicos han llevado a cabo 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 ocurre 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 seguir siendo líquida sin convertirse en hielo. Cuando tratamos de congelar agua fría, es probable que primero se sobreenfríe y se endurezca solo después de un tiempo. En el agua calentada tienen lugar otros procesos. Su transformación más rápida en hielo está asociada con la convección.
Convección- Este fenómeno físico, en el que las capas cálidas inferiores del líquido ascienden y las superiores, enfriadas, descienden.
efecto mpemba(paradoja de Mpemba) - 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 alumno del Magamba escuela secundaria 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 a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. 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. De todos modos, siendo ya estudiante de la Escuela Secundaria Mkvava, le preguntó al profesor Dennis Osborne del University College de Dar es Salaam (invitado por el director de la escuela para dar una conferencia sobre física a los estudiantes) sobre el agua: "Si toma 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 los pone 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 en términos de física conocida. Aquí hay algunas explicaciones para el efecto Mpemba:
Evaporación
El agua caliente se evapora más rápido del recipiente, por lo que se 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 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. Capa superficial el agua se enfriará más rápidamente debido a la evaporación y 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, levantando la capa de agua tibia hacia 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, sería necesario suponer que las capas de agua fría y caliente se separan y el proceso de convección continúa después de temperatura media el 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 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 abajo. 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.
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 del agua fría y caliente", G.S. Kell en American Journal of Physics, vol. 37, núm. 5, págs. 564-565; mayo de 1969.
"Superenfriamiento y el 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.
¿Efecto Mpemba o por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría? El Efecto Mpemba (Paradoja 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. Erasto Mpemba era un estudiante de la escuela secundaria Magambin en Tanzania que realizaba un trabajo práctico de cocina. Tenía que hacer helado casero: hervir la leche, disolver el azúcar en ella, enfriarla a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. 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. De todos modos, siendo ya estudiante de la Escuela Secundaria Mkvava, le preguntó al profesor Dennis Osborne del University College de Dar es Salaam (invitado por el director de la escuela para dar una conferencia sobre física a los estudiantes) sobre el agua: "Si toma 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 los pone 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 de un recipiente, reduciendo así 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 la evaporación es doble. 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, por lo tanto, el intercambio de calor en este caso es más intenso y el agua caliente se enfría más rápido. Subenfriamiento 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 una temperatura de -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, empeorando así los procesos de radiación de calor y convección, 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 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, levantando la capa de agua tibia hacia 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, se supondría que las capas de agua fría y caliente se separan y que el proceso de convección en sí continúa después de que la temperatura promedio del agua cae por debajo de los 4 C. Sin embargo, no hay datos experimentales. eso confirmaría esta hipótesis de que las capas de agua fría y caliente están 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 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 el agua se coloca en un refrigerador congelador en pequeños recipientes. 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. OV Mosin
Parece claro que el agua fría se congela más rápido que el agua caliente, ya que en igualdad de condiciones el agua caliente tarda más en enfriarse y congelarse posteriormente. Sin embargo, miles de años de observaciones, así como experimentos modernos, han demostrado que lo contrario también es cierto: bajo ciertas condiciones, el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. El canal científico Sciencium explica este fenómeno:
Como se explica en el video anterior, el fenómeno en el que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría se conoce como el efecto Mpemba, llamado así por Erasto Mpemba, un estudiante de Tanzania que hizo helado como parte de un proyecto escolar en 1963. Los alumnos tenían que llevar a ebullición la mezcla de nata y azúcar, dejarla enfriar y luego ponerla en el congelador.
En cambio, Erasto puso su mezcla de inmediato, caliente, sin esperar a que se enfriara. Como resultado, después de 1,5 horas, su mezcla ya estaba congelada, pero las mezclas de otros estudiantes no. Intrigado por el fenómeno, Mpemba comenzó a estudiar el tema con el profesor de física Denis Osborn, y en 1969 publicaron un artículo que decía que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Este fue el primer estudio revisado por pares de este tipo, pero el fenómeno en sí se menciona en los documentos de Aristóteles que datan del siglo IV a. mi. Francis Bacon y Descartes también notaron este fenómeno en sus estudios.
El video enumera varias opciones para explicar lo que está sucediendo:
- La escarcha es un dieléctrico y, por lo tanto, el agua helada almacena el calor mejor que un vaso tibio que derrite el hielo en contacto con ella.
- El agua fría tiene más gases disueltos que el agua caliente, y los investigadores especulan que esto puede desempeñar un papel en la velocidad de enfriamiento, aunque aún no está claro cómo.
- El agua caliente pierde más moléculas de agua a través de la evaporación, dejando menos para congelar
- El agua caliente puede enfriarse más rápido debido al aumento de las corrientes convectivas. Estas corrientes ocurren porque el agua en el vaso primero se enfría en la superficie y los lados, lo que hace que el agua fría se hunda y el agua caliente suba. En un vidrio tibio, las corrientes convectivas son más activas, lo que puede afectar la velocidad de enfriamiento.
Sin embargo, en 2016 se realizó un estudio cuidadosamente controlado que demostró lo contrario: el agua caliente se congelaba mucho más lentamente que el agua fría. Al mismo tiempo, los científicos notaron que un cambio en la ubicación de un termopar, un dispositivo que determina las diferencias de temperatura, por solo un centímetro conduce a la aparición del efecto Mpemba. Un estudio de otro trabajo similar mostró que en todos los casos cuando se observó este efecto, hubo un desplazamiento del termopar dentro de un centímetro.