Dacă puneți apă fierbinte în congelator, puteți observa efectul de înghețare accelerată a acesteia. Acest fenomen a fost menționat anterior de Aristotel, Francis Bacon și René Descartes.

Dacă plasați două recipiente cu apă caldă și rece în congelator, puteți observa că apa caldă va îngheța mai repede. Acest fapt este confirmat, de exemplu, de faptul că, în condiții de frig sever, țevile deschise cu apă caldă îngheață mai repede decât țevile reci.
 

Un experiment la domiciliu

Pentru a testa veridicitatea acestui fenomen, puteți efectua un experiment simplu la domiciliu.

1. Luați un litru de apă și două tăvițe separate pentru cuburi de gheață.
2. Turnați aproximativ jumătate din apă într-un ceainic și fierbeți-o.
3. Umpleți apa rece și cea încălzită în tăvițe și puneți-le în congelator.
4. Așteptați o oră și veți vedea care apă se transformă mai repede în gheață.
    

Paradoxul Mpemba

În 1963, un elev african a observat că un amestec de înghețată fierbinte în congelator îngheța mai repede decât unul rece. Profesorul de fizică de la școală nu i-a răspuns la această întrebare, dar a reușit să îl întrebe pe profesorul de fizică Dennis Osborne. Un experiment cu apă a confirmat efectul. În acest caz, două mostre de 70 ml de apă cu o temperatură de 25 și 90°C au fost plasate în pahare identice în congelatorul unui frigider de uz casnic, pe bucăți de spumă.

Osborne și Mpemba au efectuat apoi o serie de experimente, ale căror rezultate au fost publicate în 1969 de revista Physics Education.

Principalele puncte ale articolului sunt prezentate mai jos.

Deoarece răcirea începe în principal de la suprafața superioară a lichidului, rata de răcire depinde de temperatura acestei suprafețe, nu de temperatura medie a lichidului, iar procesele de convecție mențin această temperatură. Ca urmare, rata pierderilor de căldură pentru un sistem cu o temperatură inițială mai ridicată va fi, de asemenea, mai mare decât pentru un sistem mai răcit. Afirmația este controversată, deoarece apa trebuie să treacă prin temperaturi intermediare înainte de a îngheța, dar având în vedere influența gradientului de temperatură, autorii au permis ca această afirmație să poată fi omisă. După aceea, fenomenul a devenit discutat activ de către cercetători și a fost denumit "efectul Mpemba".

Figura arată dependența ratei de înghețare de temperatura inițială a apei.

Explicația efectului Mpemba

Timp de o jumătate de secol, oamenii au căutat un răspuns la întrebarea de ce apa fierbinte îngheață mai repede. Sute de lucrări științifice au fost publicate pe această temă, însă abia 54 de ani mai târziu a fost obținut un răspuns definitiv.

În 2013, Societatea Regală de Chimie din Marea Britanie a promis să ofere un premiu de 1 000 de lire sterline oricărei persoane care ar putea explica efectul Mpemba. Cel mai bun răspuns a fost un eseu scris de Nikola Bregovic de la Universitatea din Zagreb, Croația. El a sintetizat principalele teorii studiate anterior și le-a descris.

În 2016, un grup de oameni de știință a publicat materiale de cercetare care au negat existența acestui fenomen. Explicația efectului în sine se baza pe o eroare de cercetare.

S-ar părea că lumea științifică ar trebui să se calmeze, dar nu și aici, iar în 2017, un studiu comun al unui grup de oameni de știință din China și Statele Unite a explicat fenomenul prin legături de hidrogen în structura clusterului de apă.

Principalele teorii

Evaporarea apei

Unii oameni de știință au explicat că apa încălzită se evaporă mai repede și, în consecință, fie îngheață în aer și formează o crustă de gheață, fie este pur și simplu eliminată din sistem. Este demn de remarcat faptul că în toate experimentele în care masa de apă a fost cântărită înainte și după înghețare, pierderea maximă de masă nu a fost mai mare de 3%. Este evident că o astfel de modificare nesemnificativă a masei nu poate provoca o accelerare semnificativă a înghețului. O altă dificultate a acestui experiment a fost faptul că a fost aproape imposibil să se demonstreze acest lucru, deoarece sigilarea recipientului cu apă înghețată ar modifica nu numai evaporarea, ci și mișcarea fluxurilor de căldură.

Gazele dizolvate

Solubilitatea gazelor în apă scade odată cu creșterea temperaturii. Pe baza acestui fapt, unii cercetători au presupus că înghețarea rapidă a apei este legată de acest fapt. Cercetările lui Thomas au arătat că diferența dintre temperaturile de congelare se abate ușor de la zero, iar Auerbach a demonstrat că concentrația de gaze în apă nu afectează suprarăcirea.

Conversia este sporită de un gradient de căldură

Să înțelegem ce sunt convecția și gradientul de căldură. Atunci când un recipient cu apă este plasat într-un congelator, lichidul de la suprafața și din apropierea pereților recipientului intră în contact cu mediul rece și se răcește mai repede. În același timp, temperatura din interiorul probei este menținută, rezultând o diferență de temperatură sau un gradient de temperatură în recipient. Aceasta determină transferul de căldură, iar cu cât gradientul este mai puternic, cu atât convecția este mai bună. În consecință, cu cât diferența de temperatură este mai mare, cu atât transferul de căldură și răcirea vor fi mai active.

Legături de hidrogen

În 2017, a fost dat răspunsul final la întrebarea de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece. Motivul este reprezentat de proprietățile legăturilor de hidrogen. Argumentul-cheie al cercetătorilor este că numărul de legături puternice de hidrogen crește odată cu creșterea temperaturii, iar existența unor grupuri mici puternic legate, la rândul lor, contribuie la formarea de gheață hexagonală regulată atunci când apa caldă se răcește rapid. În plus, a fost demonstrat efectul opus al încălzirii rapide a apei supraînghețate.

Am scris deja despre formarea gheții și despre localizarea moleculei de apă în structura sa.
Apropo, cercetarea este în curs :)

Resurse:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Diferite moduri de legare a hidrogenului în apă - De ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece? ACS Publications. Colecție. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
2. N. Bregović, Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
3. Diferite moduri de legare a hidrogenului în apă - De ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li și Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

‍