.jpg)
.png)
.png)
Als je heet water in de vriezer doet, kun je het effect van versneld bevriezen waarnemen. Dit fenomeen werd eerder genoemd door Aristoteles, Francis Bacon en René Descartes.
Door twee bakken met warm en koud water in de vriezer te zetten, kun je zien dat het warme water sneller bevriest. Dit feit wordt bijvoorbeeld bevestigd door het feit dat bij strenge kou open leidingen met warm water sneller bevriezen dan koude leidingen.
Een experiment thuis
Om de waarheid van dit fenomeen te testen, kun je thuis een eenvoudig experiment uitvoeren.
- Neem een liter water en twee aparte ijsblokjesbakjes.
- Giet ongeveer de helft van het water in een ketel en breng het aan de kook.
- Vul het koude en verwarmde water in de bakjes en zet ze in de vriezer.
- Wacht een uur en je zult zien welk water sneller in ijs verandert.
De Mpemba-paradox
In 1963 merkte een Afrikaanse scholier op dat een warm ijsmengsel in de vriezer sneller bevroor dan een koud ijsmengsel. Hij kreeg geen antwoord op deze vraag van zijn natuurkundeleraar op school, maar kon het wel vragen aan natuurkundeprofessor Dennis Osborne. Een experiment met water bevestigde het effect. In dit geval werden twee monsters water van 70 ml met een temperatuur van 25 en 90 °C in identieke bekers in de vriezer van een huishoudkoelkast op stukken schuim geplaatst.
Osborne en Mpemba voerden vervolgens een reeks experimenten uit, waarvan de resultaten in 1969 werden gepubliceerd in het tijdschrift Physics Education.
De belangrijkste punten van het artikel staan hieronder.
Omdat de koeling voornamelijk begint aan de bovenkant van de vloeistof, hangt de koelsnelheid af van de temperatuur van dit oppervlak en niet van de gemiddelde temperatuur van de vloeistof. Als gevolg hiervan zal de snelheid van warmteverlies voor een systeem met een hogere begintemperatuur ook hoger zijn dan voor een meer gekoeld systeem. De verklaring is controversieel omdat water eerst door intermediaire temperaturen moet gaan voordat het kan bevriezen, maar gezien de invloed van de temperatuurgradiënt stonden de auteurs toe dat deze verklaring kon worden weggelaten. Daarna werd het fenomeen actief besproken door onderzoekers en werd het het "Mpemba effect" genoemd.
De figuur toont de afhankelijkheid van de vriessnelheid van de initiële watertemperatuur.
Uitleg van het Mpemba-effect
Mensen zijn al een halve eeuw op zoek naar een antwoord op de vraag waarom warm water sneller bevriest. Honderden wetenschappelijke artikelen werden over het onderwerp gepubliceerd, maar pas 54 jaar later kwam er een definitief antwoord.
In 2013 beloofde de Royal Society of Chemistry of Great Britain een prijs van £1,000 uit te reiken aan iedereen die het Mpemba effect kon verklaren. Het beste antwoord was een essay van Nikola Bregovic van de Universiteit van Zagreb in Kroatië. Hij vatte de belangrijkste eerder bestudeerde theorieën samen en beschreef ze.
In 2016 publiceerde een groep wetenschappers onderzoeksmateriaal waarin het bestaan van dit fenomeen werd ontkend. De verklaring van het effect zelf was gebaseerd op onderzoeksfouten.
Het lijkt erop dat de wetenschappelijke wereld zou moeten kalmeren, maar niet hier, en in 2017 verklaarde een gezamenlijke studie van een groep wetenschappers uit China en de Verenigde Staten het fenomeen door waterstofbruggen in de clusterstructuur van water.
De belangrijkste theorieën
Verdamping van water
Sommige wetenschappers legden uit dat verwarmd water sneller verdampt en dus ofwel bevriest in de lucht en een ijskorst vormt of gewoon uit het systeem wordt verwijderd. Het is vermeldenswaard dat in alle experimenten waarbij de massa van het water voor en na het bevriezen werd gewogen, het maximale massaverlies niet meer dan 3% bedroeg. Zo'n onbeduidende verandering in massa kan natuurlijk geen significante versnelling van het bevriezen veroorzaken. Een ander probleem met dit experiment was dat het bijna onmogelijk was om dit punt te bewijzen, omdat het afsluiten van de container met bevroren water niet alleen de verdamping zou veranderen, maar ook de beweging van warmtestromen.
Opgeloste gassen
De oplosbaarheid van gassen in water neemt af met toenemende temperatuur. Op basis hiervan namen sommige onderzoekers aan dat het snelle bevriezen van water hiermee te maken heeft. Het onderzoek van Thomas toonde aan dat het verschil in vriestemperaturen iets van nul afwijkt en Auerbach bewees dat de concentratie van gassen in water geen invloed heeft op de onderkoeling.
De conversie wordt versterkt door een warmtegradiënt
Laten we eens begrijpen wat convectie en warmtegradiënt zijn. Wanneer een bak met water in een vriezer wordt geplaatst, komt de vloeistof aan het oppervlak en bij de wanden van de bak in contact met de koude omgeving en koelt sneller af. Tegelijkertijd wordt de temperatuur binnenin het monster gehandhaafd. Tegelijkertijd wordt de temperatuur binnenin het monster gehandhaafd, wat resulteert in een temperatuurverschil of temperatuurgradiënt in de container. Dit veroorzaakt warmteoverdracht en hoe sterker de gradiënt, hoe beter de convectie. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe actiever de warmteoverdracht en koeling.
Waterstofbruggen
In 2017 werd het definitieve antwoord gegeven op de vraag waarom warm water sneller bevriest dan koud water. De reden is de eigenschap van waterstofbruggen. Het belangrijkste argument van de onderzoekers is dat het aantal sterke waterstofbruggen toeneemt met toenemende temperatuur, en het bestaan van kleine clusters met sterke bindingen draagt op zijn beurt bij aan de vorming van regelmatig hexagonaal ijs wanneer warm water snel afkoelt. Daarnaast is het tegenovergestelde effect van snelle verwarming van onderkoeld water aangetoond.
We hebben al geschreven over de vorming van ijs en de plaats van het watermolecuul in de structuur.
Het onderzoek is trouwens nog gaande :)
Bronnen:
- Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? ACS Publicaties. Collectie. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
- N. Bregović, Mpemba-effect vanuit het oogpunt van een experimenteel fysisch chemicus. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
- Verschillende manieren van waterstofbruggen in water - Waarom bevriest warm water sneller dan koud water? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li en Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.
.png)
.png)
%20(1).png)
.png)
