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Wenn Sie heißes Wasser in den Gefrierschrank legen, können Sie den Effekt des beschleunigten Gefrierens beobachten. Dieses Phänomen wurde bereits von Aristoteles, Francis Bacon und René Descartes erwähnt.
Wenn Sie zwei Behälter mit heißem und kaltem Wasser in den Gefrierschrank stellen, können Sie feststellen, dass das heiße Wasser schneller gefriert. Diese Tatsache wird z. B. dadurch bestätigt, dass bei großer Kälte offene Rohre mit heißem Wasser schneller einfrieren als kalte Rohre.
Ein Experiment zu Hause
Um die Richtigkeit dieses Phänomens zu überprüfen, können Sie zu Hause ein einfaches Experiment durchführen.
- Nehmen Sie einen Liter Wasser und zwei separate Eiswürfelbehälter.
- Etwa die Hälfte des Wassers in einen Kessel gießen und zum Kochen bringen.
- Füllen Sie das kalte und erwärmte Wasser in die Schalen und stellen Sie sie in den Gefrierschrank.
- Warten Sie eine Stunde und Sie werden sehen, welches Wasser schneller zu Eis wird.
Das Mpemba-Paradoxon
1963 bemerkte ein afrikanischer Schüler, dass eine heiße Eismischung im Gefrierschrank schneller gefror als eine kalte. Von seinem Physiklehrer in der Schule erhielt er keine Antwort auf diese Frage, aber er konnte den Physikprofessor Dennis Osborne fragen. Ein Experiment mit Wasser bestätigte den Effekt. In diesem Fall wurden zwei 70-ml-Wasserproben mit einer Temperatur von 25 und 90 °C in identischen Bechern im Gefrierfach eines Haushaltskühlschranks auf Schaumstoffstücken platziert.
Osborne und Mpemba führten daraufhin eine Reihe von Experimenten durch, deren Ergebnisse 1969 in der Zeitschrift Physics Education veröffentlicht wurden.
Die wichtigsten Punkte des Artikels werden im Folgenden dargestellt.
Da die Abkühlung hauptsächlich von der oberen Oberfläche der Flüssigkeit ausgeht, hängt die Abkühlungsrate von der Temperatur dieser Oberfläche und nicht von der durchschnittlichen Temperatur der Flüssigkeit ab, und Konvektionsprozesse halten diese Temperatur aufrecht. Folglich ist auch die Wärmeverlustrate bei einem System mit höherer Anfangstemperatur höher als bei einem stärker gekühlten System. Die Aussage ist umstritten, da Wasser vor dem Gefrieren Zwischentemperaturen durchlaufen muss, aber angesichts des Einflusses des Temperaturgefälles ließen die Autoren zu, dass diese Aussage weggelassen werden konnte. In der Folge wurde das Phänomen von Forschern rege diskutiert und als "Mpemba-Effekt" bezeichnet.
Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit der Gefriergeschwindigkeit von der anfänglichen Wassertemperatur.
Erläuterung des Mpemba-Effekts
Ein halbes Jahrhundert lang hat man nach einer Antwort auf die Frage gesucht, warum heißes Wasser schneller gefriert. Hunderte von wissenschaftlichen Arbeiten wurden zu diesem Thema veröffentlicht, aber erst 54 Jahre später wurde eine endgültige Antwort gefunden.
Im Jahr 2013 versprach die Royal Society of Chemistry of Great Britain demjenigen, der den Mpemba-Effekt erklären kann, einen Preis in Höhe von 1.000 Pfund zu verleihen. Die beste Antwort war ein Aufsatz von Nikola Bregovic von der Universität Zagreb in Kroatien. Er fasste die wichtigsten zuvor untersuchten Theorien zusammen und beschrieb sie.
Im Jahr 2016 veröffentlichte eine Gruppe von Wissenschaftlern Forschungsmaterial, das die Existenz dieses Phänomens leugnete. Die Erklärung des Effekts selbst basierte auf einem Forschungsfehler.
Es scheint, dass die wissenschaftliche Welt sich beruhigen sollte, aber nicht hier, und 2017 erklärte eine gemeinsame Studie einer Gruppe von Wissenschaftlern aus China und den Vereinigten Staaten das Phänomen durch Wasserstoffbrücken in der Clusterstruktur von Wasser.
Die wichtigsten Theorien
Wasserverdunstung
Einige Wissenschaftler erklärten, dass erhitztes Wasser schneller verdampft und dementsprechend entweder in der Luft gefriert und eine Eiskruste bildet oder einfach aus dem System entfernt wird. Es ist erwähnenswert, dass bei allen Experimenten, bei denen die Masse des Wassers vor und nach dem Gefrieren gewogen wurde, der maximale Massenverlust nicht mehr als 3 % betrug. Eine so geringe Massenänderung kann offensichtlich keine signifikante Beschleunigung des Gefrierens bewirken. Eine weitere Schwierigkeit bei diesem Experiment war, dass es fast unmöglich war, diesen Punkt zu beweisen, da das Verschließen des Behälters mit gefrorenem Wasser nicht nur die Verdampfung, sondern auch die Bewegung der Wärmeströme verändern würde.
Gelöste Gase
Die Löslichkeit von Gasen in Wasser nimmt mit steigender Temperatur ab. Daher nahmen einige Forscher an, dass das schnelle Gefrieren von Wasser mit dieser Tatsache zusammenhängt. Die Forschungen von Thomas zeigten, dass die Differenz der Gefriertemperaturen geringfügig von Null abweicht, und Auerbach wies nach, dass die Konzentration der Gase im Wasser keinen Einfluss auf die Unterkühlung hat.
Die Umwandlung wird durch einen Wärmegradienten verstärkt
Wir wollen verstehen, was Konvektion und Wärmegefälle sind. Wenn ein Behälter mit Wasser in einen Gefrierschrank gestellt wird, kommt die Flüssigkeit an der Oberfläche und in der Nähe der Wände des Behälters mit der kalten Umgebung in Berührung und kühlt schneller ab. Gleichzeitig wird die Temperatur im Inneren der Probe aufrechterhalten, was zu einem Temperaturunterschied oder Temperaturgefälle im Behälter führt. Dieser bewirkt eine Wärmeübertragung, und je stärker das Gefälle ist, desto besser ist die Konvektion. Je höher der Temperaturunterschied ist, desto aktiver ist die Wärmeübertragung und die Kühlung.
Wasserstoffbrücken
2017 wurde die endgültige Antwort auf die Frage gegeben, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Der Grund sind die Eigenschaften von Wasserstoffbrückenbindungen. Das Hauptargument der Forscher ist, dass die Anzahl der starken Wasserstoffbrückenbindungen mit steigender Temperatur zunimmt und die Existenz kleiner, stark gebundener Cluster wiederum zur Bildung von regelmäßigem hexagonalem Eis beiträgt, wenn warmes Wasser schnell abkühlt. Darüber hinaus wurde auch der gegenteilige Effekt einer schnellen Erwärmung von unterkühltem Wasser nachgewiesen.
Wir haben bereits über die Entstehung von Eis und die Position des Wassermoleküls in seiner Struktur geschrieben.
Übrigens, die Forschung ist noch nicht abgeschlossen :)
Ressourcen:
- Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Fast than Cold Water? ACS Publications. Collection . https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735.
- N. Bregović, Der Mpemba-Effekt aus der Sicht eines experimentellen physikalischen Chemikers. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
- Unterschiedliche Arten der Wasserstoffbindung in Wasser - Warum gefriert warmes Wasser schneller als kaltes Wasser? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li, and Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.
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