Om du lägger varmt vatten i frysen kan du observera effekten av dess accelererade frysning. Detta fenomen har tidigare nämnts av Aristoteles, Francis Bacon och René Descartes.

Genom att placera två behållare med varmt och kallt vatten i frysen kan du se att det varma vattnet fryser snabbare. Detta faktum bekräftas till exempel av det faktum att öppna rör med varmt vatten fryser snabbare än kalla rör i sträng kyla.
 

Ett experiment hemma

För att testa sanningen i detta fenomen kan du genomföra ett enkelt experiment hemma.

1. Ta en liter vatten och två separata iskubsbrickor.
2. Häll ungefär hälften av vattnet i en vattenkokare och koka upp det.
3. Fyll det kalla och uppvärmda vattnet i brickorna och lägg dem i frysen.
4. Vänta en timme och du kommer att se vilket vatten som förvandlas till is snabbare.
    

Mpemba-paradoxen

År 1963 märkte en afrikansk skolpojke att en varm glassblandning i frysen frös snabbare än en kall. Han fick inget svar på frågan av sin fysiklärare, men kunde fråga fysikprofessorn Dennis Osborne. Ett experiment med vatten bekräftade effekten. I det här fallet placerades två 70 ml vattenprover med en temperatur på 25 och 90°C i identiska koppar i frysen i ett hushållskylskåp på skumplastbitar.

Osborne och Mpemba genomförde sedan en serie experiment, vars resultat publicerades 1969 i tidskriften Physics Education.

Huvudpunkterna i artikeln presenteras nedan.

Eftersom kylningen huvudsakligen börjar från vätskans övre yta beror kylhastigheten på temperaturen på denna yta, inte på vätskans medeltemperatur, och konvektionsprocesser upprätthåller denna temperatur. Följaktligen kommer värmeförlusten för ett system med högre initialtemperatur också att vara högre än för ett mer nedkylt system. Uttalandet är kontroversiellt eftersom vatten måste passera genom mellanliggande temperaturer innan det fryser, men med tanke på temperaturgradientens inflytande tillät författarna att detta uttalande kunde utelämnas. Efter det blev fenomenet aktivt diskuterat av forskare och kallades "Mpemba-effekten".

Figuren visar frysningshastighetens beroende av den initiala vattentemperaturen.

Förklaring av Mpemba-effekten

Människor har letat efter ett svar på frågan om varför varmt vatten fryser snabbare i ett halvt sekel. Hundratals vetenskapliga artiklar publicerades i ämnet, men först 54 år senare fick man ett slutgiltigt svar.

År 2013 lovade Royal Society of Chemistry i Storbritannien att ge ett pris på 1.000 pund till den som kunde förklara Mpemba-effekten. Det bästa svaret var en uppsats av Nikola Bregovic från universitetet i Zagreb i Kroatien. Han sammanfattade de viktigaste teorierna som studerats tidigare och beskrev dem.

År 2016 publicerade en grupp forskare forskningsmaterial som förnekade förekomsten av detta fenomen. Förklaringen av själva effekten var baserad på forskningsfel.

Det verkar som om den vetenskapliga världen borde lugna ner sig, men inte här, och 2017 förklarade en gemensam studie av en grupp forskare från Kina och USA fenomenet med vätebindningar i vattnets klusterstruktur.

De viktigaste teorierna

Vattenavdunstning

Vissa forskare förklarade att uppvärmt vatten avdunstar snabbare och följaktligen antingen fryser i luften och bildar en isskorpa eller helt enkelt tas bort från systemet. Det är värt att notera att i alla experiment där vattenmassan vägdes före och efter frysning var den maximala massförlusten inte mer än 3%. En så obetydlig förändring av massan kan uppenbarligen inte orsaka en betydande acceleration av frysningen. En annan svårighet med detta experiment var att det var nästan omöjligt att bevisa denna punkt, eftersom tätning av behållaren med fryst vatten skulle förändra inte bara avdunstningen utan också värmeströmmarnas rörelse.

Upplösta gaser

Lösligheten av gaser i vatten minskar med ökande temperatur. Baserat på detta antog vissa forskare att den snabba frysningen av vatten är relaterad till detta faktum. Thomas forskning visade att skillnaden i frystemperaturer avviker något från noll, och Auerbach bevisade att koncentrationen av gaser i vatten inte påverkar superkylning.

Omvandlingen förbättras av en värmegradient

Låt oss förstå vad konvektion och värmegradient är. När en behållare med vatten placeras i en frys kommer vätskan på ytan och nära behållarens väggar i kontakt med den kalla miljön och kyls snabbare. Samtidigt bibehålls temperaturen inuti provet, vilket resulterar i en temperaturskillnad eller temperaturgradient i behållaren. Det orsakar värmeöverföring, och ju starkare gradienten är, desto bättre är konvektionen. Ju högre temperaturskillnad, desto mer aktiv blir värmeöverföringen och kylningen.

Vätebindningar

2017 kom det slutliga svaret på frågan om varför varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Anledningen är egenskaperna hos vätebindningar. Forskarnas huvudargument är att antalet starka vätebindningar ökar med stigande temperatur, och förekomsten av små starkt bundna kluster bidrar i sin tur till bildandet av regelbunden hexagonal is när varmt vatten kyls snabbt. Dessutom har den motsatta effekten av snabb uppvärmning av superkylt vatten bevisats.

Vi har redan skrivit om bildandet av is och vattenmolekylens placering i dess struktur.
Förresten, forskningen pågår :)

Resurser:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Olika sätt att binda väte i vatten - Varför fryser varmt vatten snabbare än kallt vatten? ACS Publikationer. Samling. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
2. N. Bregović, Mpemba-effekten ur en experimentell fysikalisk kemists synvinkel. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
3. Olika sätt att binda väte i vatten - varför fryser varmt vatten snabbare än kallt vatten? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li och Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

‍