Quello che non sapevi sull'acqua Video: quale acqua si congela più velocemente: calda o fredda

Quale acqua gela più velocemente, calda o fredda, è influenzata da molti fattori, ma la domanda stessa sembra un po' strana. Resta inteso, ed è noto dalla fisica, che l'acqua calda ha ancora bisogno di tempo per raffreddarsi alla temperatura di acqua fredda comparabile per trasformarsi in ghiaccio. L'acqua fredda può saltare questa fase e, di conseguenza, vince nel tempo.

Ma la risposta alla domanda su quale acqua si congela più velocemente - fredda o calda - per strada al gelo, qualsiasi abitante delle latitudini settentrionali lo sa. In effetti, scientificamente, risulta che in ogni caso l'acqua fredda deve semplicemente congelare più velocemente.

Così fece l'insegnante di fisica, che fu avvicinato dallo scolaro Erasto Mpemba nel 1963 con la richiesta di spiegare perché la miscela fredda del futuro gelato gela più a lungo di una simile, ma calda.

"Questa non è fisica mondiale, ma una specie di fisica Mpemba"

A quel tempo, l'insegnante si limitava a ridere di questo, ma Deniss Osborne, un professore di fisica, che un tempo frequentava la stessa scuola in cui studiava Erasto, confermò sperimentalmente l'esistenza di un tale effetto, sebbene allora non ci fosse alcuna spiegazione per questo . Nel 1969 una popolare rivista scientifica pubblicò un articolo congiunto dei due uomini che descrivevano questo peculiare effetto.

Da allora, tra l'altro, la domanda su quale acqua si congeli più velocemente - calda o fredda, ha il suo nome - l'effetto, o paradosso, Mpemba.

La domanda circola da molto tempo

Naturalmente, un tale fenomeno si è già verificato ed è stato menzionato nelle opere di altri scienziati. Non solo lo scolaro era interessato a questa domanda, ma anche René Descartes e persino Aristotele ci hanno pensato una volta.

Qui ci sono solo approcci per risolvere questo paradosso iniziato a guardare solo alla fine del ventesimo secolo.

Condizioni perché si verifichi un paradosso

Come con il gelato, non è solo l'acqua ordinaria che si congela durante l'esperimento. Devono essere presenti determinate condizioni per iniziare a discutere quale acqua si congela più velocemente: fredda o calda. Cosa influenza questo processo?

Ora, nel 21° secolo, sono state avanzate diverse opzioni che possono spiegare questo paradosso. Quale acqua congela più velocemente, calda o fredda, può dipendere dal fatto che ha un tasso di evaporazione più elevato rispetto all'acqua fredda. Pertanto, il suo volume diminuisce e, con una diminuzione del volume, il tempo di congelamento si riduce rispetto a quando prendiamo un volume iniziale simile di acqua fredda.

Il congelatore è stato scongelato da tempo

Quale acqua congela più velocemente, e perché lo fa, può essere influenzata dal rivestimento di neve che può essere presente nel congelatore del frigorifero utilizzato per l'esperimento. Se prendiamo due contenitori identici nel volume, ma uno di essi conterrà acqua calda, e nell'altro - freddo, un contenitore con acqua calda scioglie la neve sottostante, migliorando così il contatto del livello termico con la parete del frigorifero. contenitore con acqua fredda non può farlo. Se non c'è un tale rivestimento con la neve nel frigorifero, l'acqua fredda dovrebbe congelare più velocemente.

Alto - basso

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

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

Impurità nella composizione dell'acqua come fattore che influenza il risultato

Se non imbrogli e usi acqua con la stessa composizione, dove le concentrazioni di alcune sostanze sono identiche, l'acqua fredda dovrebbe congelarsi più velocemente. Ma se si verifica una situazione quando il dissolto elementi chimici disponibile solo in acqua calda, mentre l'acqua fredda non li ha, quindi c'è la possibilità che l'acqua calda si congeli prima. Ciò è spiegato dal fatto che le sostanze disciolte nell'acqua creano centri di cristallizzazione e, con un piccolo numero di questi centri, la trasformazione dell'acqua in uno stato solido è difficile. È possibile anche il superraffreddamento dell'acqua, nel senso che a temperature sotto lo zero sarà allo stato liquido.

Ma tutte queste versioni, a quanto pare, non si sono adattate fino alla fine agli scienziati e hanno continuato a lavorare su questo problema. Nel 2013, un team di ricercatori a Singapore ha affermato di aver risolto l'antico mistero.

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

La risposta degli scienziati cinesi

Seguiranno ulteriori informazioni, per la cui comprensione è necessario avere una certa conoscenza in chimica per capire quale acqua si congela più velocemente: calda o fredda. Come sai, è costituito da due atomi di H (idrogeno) e un atomo di O (ossigeno) tenuti insieme da legami covalenti.

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

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

Ma la questione è ancora aperta

C'è solo una conferma teorica di questo indizio: tutto questo è scritto in belle formule e sembra plausibile. Ma quando i dati sperimentali, quale acqua si congela più velocemente - calda o fredda, saranno messi in senso pratico, e saranno presentati i loro risultati, allora sarà possibile considerare chiusa la questione del paradosso di Mpemba.

In questo articolo vedremo perché l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda.

L'acqua riscaldata si congela molto più velocemente dell'acqua fredda! Questa straordinaria proprietà dell'acqua, la spiegazione esatta per la quale gli scienziati non riescono ancora a trovare, è nota fin dall'antichità. Ad esempio, anche in Aristotele c'è una descrizione della pesca invernale: i pescatori inserivano le canne da pesca nei buchi del ghiaccio e, affinché si congelassero più velocemente, versavano acqua calda sul ghiaccio. Il nome di questo fenomeno prende il nome da Erasto Mpemba negli anni '60 del XX secolo. Mnemba notò lo strano effetto mentre preparava il gelato e si rivolse al suo insegnante di fisica, il dottor Denis Osborn, per una spiegazione. Mpemba e il dottor Osborn hanno sperimentato con l'acqua temperature diverse e ha concluso: l'acqua quasi bollente inizia a congelare molto più velocemente dell'acqua a temperatura ambiente. Altri scienziati hanno condotto i propri esperimenti e ogni volta hanno ottenuto risultati simili.

Spiegazione di un fenomeno fisico

Non esiste una spiegazione generalmente accettata sul motivo per cui questo sta accadendo. Molti ricercatori suggeriscono che si tratti del superraffreddamento di un liquido, che si verifica quando la sua temperatura scende sotto lo zero. In altre parole, se l'acqua gela a una temperatura inferiore a 0°C, allora l'acqua sottoraffreddata può avere una temperatura, ad esempio, di -2°C e rimanere allo stesso tempo liquida senza trasformarsi in ghiaccio. Quando proviamo a congelare acqua fredda, è probabile che prima si raffreddi e si indurisca solo dopo un po' di tempo. Nell'acqua riscaldata avvengono altri processi. La sua più rapida trasformazione in ghiaccio è associata alla convezione.

Convezione- Questo fenomeno fisico, in cui gli strati inferiori caldi del liquido salgono e quelli superiori, raffreddati, cadono.

Effetto Mpemba(Paradosso di Mpemba) - un paradosso che afferma che l'acqua calda in determinate condizioni si congela più velocemente dell'acqua fredda, sebbene nel processo di congelamento debba superare la temperatura dell'acqua fredda. Questo paradosso è un fatto sperimentale che contraddice le solite idee, secondo le quali, nelle stesse condizioni, un corpo più caldo ha bisogno di più tempo per raffreddarsi fino a una certa temperatura rispetto a un corpo più freddo per raffreddarsi alla stessa temperatura.

Questo fenomeno fu notato all'epoca da Aristotele, Francis Bacon e Rene Descartes, ma solo nel 1963 lo scolaro tanzaniano Erasto Mpemba scoprì che una miscela di gelato calda si congela più velocemente di una fredda.

Come uno studente del Magamba Scuola superiore in Tanzania, Erasto Mpemba l'ha fatto lavoro pratico nelle arti culinarie. Doveva fare il gelato fatto in casa: far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo in frigorifero a congelare. Apparentemente, Mpemba non era uno studente particolarmente diligente e ha procrastinato la prima parte del compito. Temendo di non arrivare in tempo alla fine della lezione, mise il latte ancora caldo nel frigorifero. Con sua sorpresa, si congelò anche prima del latte dei suoi compagni, preparato secondo una data tecnologia.

Successivamente, Mpemba ha sperimentato non solo con il latte, ma anche con l'acqua ordinaria. In ogni caso, essendo già studente alla Mkvava High School, chiese dell'acqua al professor Dennis Osborne dell'University College di Dar es Salaam (invitato dal direttore della scuola a tenere una lezione di fisica agli studenti): "Se prendi due contenitori identici con uguali volumi d'acqua in modo che in uno di essi l'acqua abbia una temperatura di 35 ° C, e nell'altro - 100 ° C, e li metti nel congelatore, poi nel secondo l'acqua si congelerà più veloce Perché? Osborne si interessò a questo problema e presto nel 1969, insieme a Mpemba, pubblicarono i risultati dei loro esperimenti sulla rivista "Physics Education". Da allora, l'effetto che hanno scoperto è chiamato Effetto Mpemba.

Fino ad ora, nessuno sa esattamente come spiegare questo strano effetto. Gli scienziati non hanno un'unica versione, sebbene ce ne siano molte. Riguarda la differenza nelle proprietà dell'acqua calda e fredda, ma non è ancora chiaro quali proprietà abbiano un ruolo in questo caso: la differenza di sottoraffreddamento, evaporazione, formazione di ghiaccio, convezione o l'effetto dei gas liquefatti sull'acqua a temperature diverse.

Il paradosso dell'effetto Mpemba è che il tempo durante il quale il corpo si raffredda alla temperatura ambiente, dovrebbe essere proporzionale alla differenza di temperatura tra questo corpo e l'ambiente. Questa legge è stata stabilita da Newton e da allora è stata confermata molte volte nella pratica. Nello stesso effetto, l'acqua a 100°C si raffredda fino a 0°C più velocemente della stessa quantità di acqua a 35°C.

Tuttavia, ciò non implica ancora un paradosso, poiché l'effetto Mpemba può essere spiegato anche in termini di fisica conosciuta. Ecco alcune spiegazioni per l'effetto Mpemba:

Evaporazione

L'acqua calda evapora più velocemente dal contenitore, riducendone così il volume, e un volume minore di acqua con la stessa temperatura si congela più velocemente. L'acqua riscaldata a 100 C perde il 16% della sua massa quando viene raffreddata a 0 C.

L'effetto di evaporazione è un doppio effetto. In primo luogo, la massa d'acqua necessaria per il raffreddamento viene ridotta. E in secondo luogo, la temperatura diminuisce a causa del fatto che il calore di evaporazione del passaggio dalla fase acquosa alla fase vapore diminuisce.

differenza di temperatura

A causa del fatto che la differenza di temperatura tra l'acqua calda e l'aria fredda è maggiore, quindi lo scambio di calore in questo caso è più intenso e l'acqua calda si raffredda più velocemente.

ipotermia

Quando l'acqua viene raffreddata al di sotto di 0 C, non sempre si congela. In determinate condizioni, può subire un superraffreddamento pur continuando a rimanere liquido a temperature inferiori al punto di congelamento. In alcuni casi l'acqua può rimanere liquida anche a -20 C.

La ragione di questo effetto è che affinché i primi cristalli di ghiaccio inizino a formarsi, sono necessari centri di formazione dei cristalli. Se non si trovano in acqua liquida, il superraffreddamento continuerà fino a quando la temperatura non scende abbastanza da far iniziare la formazione spontanea di cristalli. Quando iniziano a formarsi nel liquido super raffreddato, inizieranno a crescere più velocemente, formando una granita di ghiaccio che si congelerà per formare ghiaccio.

L'acqua calda è più suscettibile all'ipotermia perché il riscaldamento elimina i gas disciolti e le bolle, che a loro volta possono fungere da centri per la formazione di cristalli di ghiaccio.

Perché l'ipotermia fa congelare l'acqua calda più velocemente? Nel caso di acqua fredda, non sottoraffreddata, avviene quanto segue. In questo caso si formerà un sottile strato di ghiaccio sulla superficie della nave. Questo strato di ghiaccio fungerà da isolante tra l'acqua e l'aria fredda e impedirà un'ulteriore evaporazione. Il tasso di formazione dei cristalli di ghiaccio in questo caso sarà inferiore. Nel caso di acqua calda sottoposta a sottoraffreddamento, l'acqua sottoraffreddata non presenta uno strato protettivo superficiale di ghiaccio. Pertanto, perde calore molto più velocemente attraverso la parte superiore aperta.

Quando il processo di sottoraffreddamento termina e l'acqua si congela, si perde molto più calore e quindi si forma più ghiaccio.

Molti ricercatori di questo effetto considerano l'ipotermia il fattore principale nel caso dell'effetto Mpemba.

Convezione

L'acqua fredda inizia a congelare dall'alto, peggiorando così i processi di irraggiamento e convezione del calore, e quindi la perdita di calore, mentre l'acqua calda inizia a congelare dal basso.

Questo effetto è spiegato da un'anomalia nella densità dell'acqua. L'acqua ha massima densità a 4 C. Se si raffredda l'acqua a 4 C e la si mette a una temperatura inferiore, lo strato superficiale dell'acqua si congelerà più velocemente. Poiché quest'acqua è meno densa dell'acqua a 4°C, rimarrà in superficie formando un sottile strato freddo. In queste condizioni si formerà un sottile strato di ghiaccio sulla superficie dell'acqua per un breve periodo, ma questo strato di ghiaccio fungerà da isolante proteggendo gli strati inferiori di acqua, che rimarranno ad una temperatura di 4 C. Pertanto , l'ulteriore processo di raffreddamento sarà più lento.

Nel caso dell'acqua calda la situazione è completamente diversa. Strato superficiale l'acqua si raffredderà più rapidamente a causa dell'evaporazione e di una maggiore differenza di temperatura. Inoltre, gli strati di acqua fredda sono più densi degli strati di acqua calda, quindi lo strato di acqua fredda affonderà, sollevando lo strato di acqua calda in superficie. Questa circolazione dell'acqua garantisce un rapido abbassamento della temperatura.

Ma perché questo processo non raggiunge il punto di equilibrio? Per spiegare l'effetto Mpemba da questo punto di vista della convezione, sarebbe necessario ipotizzare che gli strati d'acqua fredda e calda siano separati e che il processo di convezione stesso continui dopo temperatura media l'acqua scende sotto i 4 C.

Tuttavia, non ci sono prove sperimentali a sostegno di questa ipotesi che gli strati di acqua calda e fredda siano separati per convezione.

gas disciolti in acqua

L'acqua contiene sempre gas disciolti in essa: ossigeno e anidride carbonica. Questi gas hanno la capacità di abbassare il punto di congelamento dell'acqua. Quando l'acqua viene riscaldata, questi gas vengono rilasciati dall'acqua a causa della loro solubilità in acqua alta temperatura sotto. Pertanto, quando l'acqua calda viene raffreddata, ci sono sempre meno gas disciolti rispetto all'acqua fredda non riscaldata. Pertanto, il punto di congelamento dell'acqua riscaldata è più alto e si congela più velocemente. Questo fattore è talvolta considerato il principale nello spiegare l'effetto Mpemba, sebbene non ci siano dati sperimentali che confermino questo fatto.

Conduttività termica

Questo meccanismo può svolgere un ruolo significativo quando l'acqua viene posta in un frigorifero congelatore in piccoli contenitori. In queste condizioni si è osservato che il contenitore con l'acqua calda scioglie il ghiaccio del congelatore sottostante, migliorando così il contatto termico con la parete del congelatore e la conducibilità termica. Di conseguenza, il calore viene rimosso dal contenitore dell'acqua calda più velocemente che da quello freddo. A sua volta, il contenitore con acqua fredda non scioglie la neve sotto di esso.

Tutte queste (così come altre) condizioni sono state studiate in molti esperimenti, ma non è stata ottenuta una risposta univoca alla domanda - quali di esse forniscono una riproduzione al 100% dell'effetto Mpemba -.

Così, ad esempio, nel 1995, il fisico tedesco David Auerbach ha studiato l'influenza del superraffreddamento dell'acqua su questo effetto. Ha scoperto che l'acqua calda, raggiungendo uno stato super raffreddato, congela a una temperatura più alta dell'acqua fredda, e quindi più velocemente di quest'ultima. Ma l'acqua fredda raggiunge lo stato super raffreddato più velocemente dell'acqua calda, compensando così il ritardo precedente.

Inoltre, i risultati di Auerbach contraddicevano i dati precedenti secondo cui l'acqua calda è in grado di ottenere un maggiore superraffreddamento a causa di un minor numero di centri di cristallizzazione. Quando l'acqua viene riscaldata, i gas disciolti in essa vengono rimossi da essa e quando viene bollita precipitano alcuni sali disciolti in essa.

Finora si può affermare solo una cosa: la riproduzione di questo effetto dipende essenzialmente dalle condizioni in cui si svolge l'esperimento. Proprio perché non sempre viene riprodotto.

O. V. Mosin

Letterariofonti:

"L'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Perché lo fa?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, vol. 237, n. 3, pp. 246-257; settembre 1977.

"Il congelamento dell'acqua calda e fredda", G.S. Kell nell'American Journal of Physics, vol. 37, n. 5, pp. 564-565; maggio 1969.

"Il superraffreddamento e l'effetto Mpemba", David Auerbach, in American Journal of Physics, vol. 63, n. 10, pp. 882-885; ottobre 1995.

"L'effetto Mpemba: i tempi di congelamento dell'acqua calda e fredda", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, vol. 64, n. 5, pagina 524; maggio 1996.

Effetto Mpemba o perché l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda? L'effetto Mpemba (Mpemba Paradox) è un paradosso che afferma che l'acqua calda in determinate condizioni si congela più velocemente dell'acqua fredda, sebbene debba superare la temperatura dell'acqua fredda nel processo di congelamento. Questo paradosso è un fatto sperimentale che contraddice le solite idee, secondo le quali, nelle stesse condizioni, un corpo più caldo ha bisogno di più tempo per raffreddarsi fino a una certa temperatura rispetto a un corpo più freddo per raffreddarsi alla stessa temperatura. Questo fenomeno fu notato all'epoca da Aristotele, Francis Bacon e Rene Descartes, ma solo nel 1963 lo scolaro tanzaniano Erasto Mpemba scoprì che una miscela di gelato calda si congela più velocemente di una fredda. Erasto Mpemba era uno studente della Magambin High School in Tanzania che svolgeva un lavoro pratico di cucina. Doveva fare il gelato fatto in casa: far bollire il latte, sciogliervi lo zucchero, raffreddarlo a temperatura ambiente e poi metterlo in frigorifero a congelare. Apparentemente, Mpemba non era uno studente particolarmente diligente e ha procrastinato la prima parte del compito. Temendo di non arrivare in tempo alla fine della lezione, mise il latte ancora caldo nel frigorifero. Con sua sorpresa, si congelò anche prima del latte dei suoi compagni, preparato secondo una data tecnologia. Successivamente, Mpemba ha sperimentato non solo con il latte, ma anche con l'acqua ordinaria. In ogni caso, essendo già studente alla Mkvava High School, chiese dell'acqua al professor Dennis Osborne dell'University College di Dar es Salaam (invitato dal direttore della scuola a tenere una lezione di fisica agli studenti): "Se prendi due contenitori identici con uguali volumi d'acqua in modo che in uno di essi l'acqua abbia una temperatura di 35 ° C, e nell'altro - 100 ° C, e li metti nel congelatore, poi nel secondo l'acqua si congelerà più veloce Perché? Osborne si interessò a questo problema e presto nel 1969, insieme a Mpemba, pubblicarono i risultati dei loro esperimenti sulla rivista "Physics Education". Da allora, l'effetto che hanno scoperto è chiamato effetto Mpemba. Fino ad ora, nessuno sa esattamente come spiegare questo strano effetto. Gli scienziati non hanno un'unica versione, sebbene ce ne siano molte. Riguarda la differenza nelle proprietà dell'acqua calda e fredda, ma non è ancora chiaro quali proprietà abbiano un ruolo in questo caso: la differenza di sottoraffreddamento, evaporazione, formazione di ghiaccio, convezione o l'effetto dei gas liquefatti sull'acqua a temperature diverse. Il paradosso dell'effetto Mpemba è che il tempo durante il quale il corpo si raffredda alla temperatura ambiente deve essere proporzionale alla differenza di temperatura tra questo corpo e l'ambiente. Questa legge è stata stabilita da Newton e da allora è stata confermata molte volte nella pratica. Nello stesso effetto, l'acqua a 100°C si raffredda fino a 0°C più velocemente della stessa quantità di acqua a 35°C. Tuttavia, questo non implica ancora un paradosso, poiché l'effetto Mpemba può essere spiegato anche all'interno della fisica conosciuta. Ecco alcune spiegazioni per l'effetto Mpemba: Evaporazione L'acqua calda evapora più velocemente da un contenitore, riducendo così il suo volume, e un volume minore di acqua alla stessa temperatura congela più velocemente. L'acqua riscaldata a 100 C perde il 16% della sua massa quando viene raffreddata a 0 C. L'effetto dell'evaporazione è un doppio effetto. In primo luogo, la massa d'acqua necessaria per il raffreddamento viene ridotta. E in secondo luogo, la temperatura diminuisce a causa del fatto che il calore di evaporazione del passaggio dalla fase acquosa alla fase vapore diminuisce. Differenza di temperatura A causa del fatto che la differenza di temperatura tra l'acqua calda e l'aria fredda è maggiore, quindi lo scambio di calore in questo caso è più intenso e l'acqua calda si raffredda più velocemente. Sottoraffreddamento Quando l'acqua viene raffreddata al di sotto di 0 C, non sempre congela. In determinate condizioni, può subire un superraffreddamento pur continuando a rimanere liquido a temperature inferiori al punto di congelamento. In alcuni casi, l'acqua può rimanere liquida anche a una temperatura di -20 C. La ragione di questo effetto è che affinché i primi cristalli di ghiaccio inizino a formarsi, sono necessari centri di formazione dei cristalli. Se non si trovano in acqua liquida, il superraffreddamento continuerà fino a quando la temperatura non scende abbastanza da far iniziare la formazione spontanea di cristalli. Quando iniziano a formarsi nel liquido super raffreddato, inizieranno a crescere più velocemente, formando una granita di ghiaccio che si congelerà per formare ghiaccio. L'acqua calda è più suscettibile all'ipotermia perché il riscaldamento elimina i gas disciolti e le bolle, che a loro volta possono fungere da centri per la formazione di cristalli di ghiaccio. Perché l'ipotermia fa congelare l'acqua calda più velocemente? Nel caso di acqua fredda, non sottoraffreddata, avviene quanto segue. In questo caso si formerà un sottile strato di ghiaccio sulla superficie della nave. Questo strato di ghiaccio fungerà da isolante tra l'acqua e l'aria fredda e impedirà un'ulteriore evaporazione. Il tasso di formazione dei cristalli di ghiaccio in questo caso sarà inferiore. Nel caso di acqua calda sottoposta a sottoraffreddamento, l'acqua sottoraffreddata non presenta uno strato protettivo superficiale di ghiaccio. Pertanto, perde calore molto più velocemente attraverso la parte superiore aperta. Quando il processo di sottoraffreddamento termina e l'acqua si congela, si perde molto più calore e quindi si forma più ghiaccio. Molti ricercatori di questo effetto considerano l'ipotermia il fattore principale nel caso dell'effetto Mpemba. Convezione L'acqua fredda inizia a congelare dall'alto, peggiorando così i processi di irraggiamento e convezione del calore, e quindi la perdita di calore, mentre l'acqua calda inizia a congelare dal basso. Questo effetto è spiegato da un'anomalia nella densità dell'acqua. L'acqua ha una densità massima a 4 C. Se si raffredda l'acqua a 4 C e la si mette a una temperatura inferiore, lo strato superficiale dell'acqua si congelerà più velocemente. Poiché quest'acqua è meno densa dell'acqua a 4°C, rimarrà in superficie formando un sottile strato freddo. In queste condizioni si formerà un sottile strato di ghiaccio sulla superficie dell'acqua per un breve periodo, ma questo strato di ghiaccio fungerà da isolante proteggendo gli strati inferiori di acqua, che rimarranno ad una temperatura di 4 C. Pertanto , l'ulteriore processo di raffreddamento sarà più lento. Nel caso dell'acqua calda la situazione è completamente diversa. Lo strato superficiale d'acqua si raffredderà più rapidamente a causa dell'evaporazione e di una maggiore differenza di temperatura. Inoltre, gli strati di acqua fredda sono più densi degli strati di acqua calda, quindi lo strato di acqua fredda affonderà, sollevando lo strato di acqua calda in superficie. Questa circolazione dell'acqua garantisce un rapido abbassamento della temperatura. Ma perché questo processo non raggiunge il punto di equilibrio? Per spiegare l'effetto Mpemba da questo punto di vista della convezione, si presume che gli strati d'acqua fredda e calda siano separati e il processo di convezione stesso continui dopo che la temperatura media dell'acqua scende sotto i 4 C. Tuttavia, non ci sono dati sperimentali ciò confermerebbe questa ipotesi che gli strati di acqua calda e fredda sono separati per convezione. Gas disciolti nell'acqua L'acqua contiene sempre gas disciolti in essa: ossigeno e anidride carbonica. Questi gas hanno la capacità di abbassare il punto di congelamento dell'acqua. Quando l'acqua viene riscaldata, questi gas vengono rilasciati dall'acqua perché la loro solubilità in acqua ad alta temperatura è inferiore. Pertanto, quando l'acqua calda viene raffreddata, ci sono sempre meno gas disciolti rispetto all'acqua fredda non riscaldata. Pertanto, il punto di congelamento dell'acqua riscaldata è più alto e si congela più velocemente. Questo fattore è talvolta considerato il principale nello spiegare l'effetto Mpemba, sebbene non ci siano dati sperimentali che confermino questo fatto. Conducibilità termica Questo meccanismo può svolgere un ruolo significativo quando l'acqua viene posta in un congelatore in piccoli contenitori. In queste condizioni si è osservato che il contenitore con l'acqua calda scioglie il ghiaccio del congelatore sottostante, migliorando così il contatto termico con la parete del congelatore e la conducibilità termica. Di conseguenza, il calore viene rimosso dal contenitore dell'acqua calda più velocemente che da quello freddo. A sua volta, il contenitore con acqua fredda non scioglie la neve sotto di esso. Tutte queste (così come altre) condizioni sono state studiate in molti esperimenti, ma non è stata ottenuta una risposta univoca alla domanda - quali di esse forniscono una riproduzione al 100% dell'effetto Mpemba -. Così, ad esempio, nel 1995, il fisico tedesco David Auerbach ha studiato l'influenza del superraffreddamento dell'acqua su questo effetto. Ha scoperto che l'acqua calda, raggiungendo uno stato super raffreddato, congela a una temperatura più alta dell'acqua fredda, e quindi più velocemente di quest'ultima. Ma l'acqua fredda raggiunge lo stato super raffreddato più velocemente dell'acqua calda, compensando così il ritardo precedente. Inoltre, i risultati di Auerbach contraddicevano i dati precedenti secondo cui l'acqua calda è in grado di ottenere un maggiore superraffreddamento a causa di un minor numero di centri di cristallizzazione. Quando l'acqua viene riscaldata, i gas disciolti in essa vengono rimossi da essa e quando viene bollita precipitano alcuni sali disciolti in essa. Finora si può affermare solo una cosa: la riproduzione di questo effetto dipende essenzialmente dalle condizioni in cui si svolge l'esperimento. Proprio perché non sempre viene riprodotto. O. V. Mosin

Sembra chiaro che l'acqua fredda geli più velocemente dell'acqua calda, poiché a parità di condizioni l'acqua calda impiega più tempo a raffreddarsi e successivamente a congelare. Tuttavia, migliaia di anni di osservazioni, così come esperimenti moderni, hanno dimostrato che è vero anche il contrario: in determinate condizioni, l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Il canale scientifico Sciencium spiega questo fenomeno:

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

Invece Erasto posò subito il suo impasto, caldo, senza aspettare che si raffreddasse. Di conseguenza, dopo 1,5 ore, la sua miscela era già congelata, ma le miscele di altri studenti no. Incuriosito dal fenomeno, Mpemba iniziò a studiare la questione con il professore di fisica Denis Osborn, e nel 1969 pubblicarono un articolo in cui si affermava che l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda. Questo è stato il primo studio peer-reviewed di questo tipo, ma il fenomeno stesso è menzionato nelle carte di Aristotele risalenti al IV secolo a.C. e. Anche Francis Bacon e Descartes hanno notato questo fenomeno nei loro studi.

Il video elenca diverse opzioni per spiegare cosa sta succedendo:

1. Il gelo è un dielettrico, e quindi l'acqua fredda gelata immagazzina il calore meglio di un bicchiere caldo che scioglie il ghiaccio a contatto con esso.
2. L'acqua fredda ha più gas disciolti rispetto all'acqua calda, e i ricercatori ipotizzano che questo possa avere un ruolo nella velocità di raffreddamento, anche se non è ancora chiaro come.
3. L'acqua calda perde più molecole d'acqua per evaporazione, lasciandone meno a congelare
4. L'acqua calda può raffreddarsi più velocemente a causa dell'aumento delle correnti convettive. Queste correnti si verificano perché l'acqua nel bicchiere prima si raffredda sulla superficie e sui lati, provocando l'affondamento dell'acqua fredda e l'innalzamento dell'acqua calda. In un vetro caldo, le correnti convettive sono più attive, il che può influenzare la velocità di raffreddamento.

Tuttavia, nel 2016 è stato condotto uno studio attentamente controllato, che ha dimostrato il contrario: l'acqua calda si è congelata molto più lentamente dell'acqua fredda. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno notato che un cambiamento nella posizione di una termocoppia - un dispositivo che determina differenze di temperatura - di appena un centimetro porta alla comparsa dell'effetto Mpemba. Uno studio di altri lavori simili ha mostrato che in tutti i casi in cui è stato osservato questo effetto, c'era uno spostamento della termocoppia entro un centimetro.