L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. Quelle eau gèle le plus vite : chaude ou froide ? De quoi dépend-il

L'effet Mpemba ou pourquoi l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide ? L'effet Mpemba (paradoxe Mpemba) est un paradoxe qui stipule que l'eau chaude dans certaines conditions gèle plus rapidement que l'eau froide, bien qu'elle doive dépasser la température de l'eau froide en cours de congélation. Ce paradoxe est un fait expérimental qui contredit les idées habituelles selon lesquelles, dans les mêmes conditions, un corps plus chaud a besoin de plus de temps pour se refroidir à une certaine température qu'un corps plus froid pour se refroidir à la même température. Ce phénomène a été remarqué à l'époque par Aristote, Francis Bacon et René Descartes, mais ce n'est qu'en 1963 que l'écolier tanzanien Erasto Mpemba a découvert qu'un mélange de crème glacée chaud gèle plus vite qu'un froid. Erasto Mpemba était étudiant au lycée Magambin en Tanzanie et effectuait des travaux pratiques de cuisine. Il devait faire de la glace maison - faire bouillir du lait, y dissoudre du sucre, le refroidir à température ambiante, puis le mettre au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n'était pas un étudiant particulièrement assidu et a tergiversé sur la première partie du devoir. Craignant de ne pas être à l'heure à la fin du cours, il mit le lait encore chaud au réfrigérateur. A sa grande surprise, il a gelé encore plus tôt que le lait de ses camarades, préparé selon une technologie donnée. Après cela, Mpemba a expérimenté non seulement avec du lait, mais aussi avec de l'eau plate. En tout cas, étant déjà étudiant au lycée Mkvava, il a interrogé le professeur Dennis Osborne du Collège universitaire de Dar es Salaam (invité par le directeur de l'école pour donner une conférence sur la physique aux étudiants) à propos de l'eau : « Si vous prenez deux récipients identiques avec des volumes d'eau égaux pour que dans l'un l'eau ait une température de 35 ° C et dans l'autre - 100 ° C, et mettez-les au congélateur, puis dans le second l'eau gèlera plus vite. Pourquoi ? Osborne s'est intéressé à cette question et bientôt en 1969, avec Mpemba, ils ont publié les résultats de leurs expériences dans la revue "Physics Education". Depuis lors, l'effet qu'ils ont découvert s'appelle l'effet Mpemba. Jusqu'à présent, personne ne sait exactement comment expliquer cet effet étrange. Les scientifiques n'ont pas de version unique, bien qu'il y en ait beaucoup. Il s'agit de la différence entre les propriétés de l'eau chaude et de l'eau froide, mais on ne sait pas encore quelles propriétés jouent un rôle dans ce cas : la différence de surfusion, d'évaporation, de formation de glace, de convection ou l'effet des gaz liquéfiés sur l'eau à différentes températures. Le paradoxe de l'effet Mpemba est que le temps pendant lequel le corps se refroidit jusqu'à la température ambiante doit être proportionnel à la différence de température entre ce corps et l'environnement. Cette loi a été établie par Newton et depuis lors a été confirmée à plusieurs reprises dans la pratique. Dans le même effet, l'eau à 100°C se refroidit à 0°C plus rapidement que la même quantité d'eau à 35°C. Cependant, cela n'implique pas encore un paradoxe, puisque l'effet Mpemba peut également être expliqué dans la physique connue. Voici quelques explications sur l'effet Mpemba : Évaporation L'eau chaude s'évapore plus rapidement d'un récipient, réduisant ainsi son volume, et un plus petit volume d'eau à la même température gèle plus rapidement. L'eau chauffée à 100 C perd 16% de sa masse lorsqu'elle est refroidie à 0 C. L'effet de l'évaporation est un double effet. Tout d'abord, la masse d'eau nécessaire au refroidissement est réduite. Et deuxièmement, la température diminue du fait que la chaleur d'évaporation de la transition de la phase eau à la phase vapeur diminue. Différence de température En raison du fait que la différence de température entre l'eau chaude et l'air froid est plus grande - l'échange de chaleur dans ce cas est donc plus intense et l'eau chaude se refroidit plus rapidement. Sous-refroidissement Lorsque l'eau est refroidie en dessous de 0 C, elle ne gèle pas toujours. Dans certaines conditions, il peut subir une surfusion tout en restant liquide à des températures inférieures au point de congélation. Dans certains cas, l'eau peut rester liquide même à une température de -20 C. La raison de cet effet est que pour que les premiers cristaux de glace commencent à se former, des centres de formation de cristaux sont nécessaires. S'ils ne sont pas dans de l'eau liquide, la surfusion se poursuivra jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que des cristaux commencent à se former spontanément. Lorsqu'ils commencent à se former dans le liquide surfondu, ils commencent à se développer plus rapidement, formant une bouillie de glace qui gèlera pour former de la glace. L'eau chaude est la plus sensible à l'hypothermie car la chauffer élimine les gaz dissous et les bulles, qui à leur tour peuvent servir de centres de formation de cristaux de glace. Pourquoi l'hypothermie fait-elle geler plus rapidement l'eau chaude ? Dans le cas de l'eau froide, qui n'est pas en surfusion, il se produit ce qui suit. Dans ce cas, une fine couche de glace se formera à la surface du navire. Cette couche de glace servira d'isolant entre l'eau et l'air froid et empêchera toute évaporation supplémentaire. Le taux de formation de cristaux de glace dans ce cas sera moindre. Dans le cas d'eau chaude subissant un sous-refroidissement, l'eau sous-refroidie n'a pas de couche protectrice de glace en surface. Par conséquent, il perd de la chaleur beaucoup plus rapidement par le haut ouvert. Lorsque le processus de surfusion se termine et que l'eau gèle, beaucoup plus de chaleur est perdue et donc plus de glace se forme. De nombreux chercheurs de cet effet considèrent l'hypothermie comme le facteur principal dans le cas de l'effet Mpemba. Convection L'eau froide commence à geler par le haut, aggravant ainsi les processus de rayonnement thermique et de convection, et donc la perte de chaleur, tandis que l'eau chaude commence à geler par le bas. Cet effet s'explique par une anomalie de la densité de l'eau. L'eau a une densité maximale à 4 C. Si vous refroidissez l'eau à 4 C et que vous la mettez à une température plus basse, la couche d'eau de surface gèlera plus rapidement. Parce que cette eau est moins dense que l'eau à 4°C, elle va rester en surface, formant une fine couche froide. Dans ces conditions, une fine couche de glace se formera à la surface de l'eau pendant un court instant, mais cette couche de glace servira d'isolant protégeant les couches d'eau inférieures, qui resteront à une température de 4 C. , le processus de refroidissement ultérieur sera plus lent. Dans le cas de l'eau chaude, la situation est complètement différente. La couche d'eau superficielle se refroidira plus rapidement en raison de l'évaporation et d'une plus grande différence de température. De plus, les couches d'eau froide sont plus denses que les couches d'eau chaude, de sorte que la couche d'eau froide coulera, soulevant la couche d'eau chaude à la surface. Cette circulation d'eau assure une chute rapide de la température. Mais pourquoi ce processus n'atteint-il pas le point d'équilibre ? Pour expliquer l'effet Mpemba de ce point de vue de la convection, on supposerait que les couches d'eau froide et chaude sont séparées et que le processus de convection lui-même se poursuit après que la température moyenne de l'eau descend en dessous de 4 C. Cependant, il n'y a pas de données expérimentales. cela confirmerait cette hypothèse selon laquelle les couches d'eau froide et chaude sont séparées par convection. Gaz dissous dans l'eau L'eau contient toujours des gaz dissous - de l'oxygène et du dioxyde de carbone. Ces gaz ont la capacité d'abaisser le point de congélation de l'eau. Lorsque l'eau est chauffée, ces gaz sont libérés de l'eau car leur solubilité dans l'eau à haute température est plus faible. Par conséquent, lorsque l'eau chaude est refroidie, elle contient toujours moins de gaz dissous que dans l'eau froide non chauffée. Par conséquent, le point de congélation de l'eau chauffée est plus élevé et elle gèle plus rapidement. Ce facteur est parfois considéré comme le principal pour expliquer l'effet Mpemba, bien qu'il n'y ait pas de données expérimentales confirmant ce fait. Conductivité thermique Ce mécanisme peut jouer un rôle important lorsque l'eau est placée dans un réfrigérateur congélateur dans de petits récipients. Dans ces conditions, il a été observé que le récipient avec de l'eau chaude fait fondre la glace du congélateur en dessous, améliorant ainsi le contact thermique avec la paroi du congélateur et la conductivité thermique. En conséquence, la chaleur est évacuée du réservoir d'eau chaude plus rapidement que du réservoir d'eau froide. À son tour, le récipient contenant de l'eau froide ne fait pas fondre la neige en dessous. Toutes ces conditions (ainsi que d'autres) ont été étudiées dans de nombreuses expériences, mais une réponse sans équivoque à la question - laquelle d'entre elles fournit une reproduction à 100% de l'effet Mpemba - n'a pas été obtenue. Ainsi, par exemple, en 1995, le physicien allemand David Auerbach a étudié l'influence de la surfusion de l'eau sur cet effet. Il a découvert que l'eau chaude, atteignant un état de surfusion, gèle à une température plus élevée que l'eau froide, et donc plus rapidement que cette dernière. Mais l'eau froide atteint l'état de surfusion plus rapidement que l'eau chaude, compensant ainsi le décalage précédent. De plus, les résultats d'Auerbach contredisent les données antérieures selon lesquelles l'eau chaude est capable d'obtenir une surfusion plus importante en raison du nombre réduit de centres de cristallisation. Lorsque l'eau est chauffée, les gaz qui y sont dissous en sont éliminés et, lorsqu'elle est bouillie, certains sels qui y sont dissous précipitent. Jusqu'à présent, une seule chose peut être affirmée - la reproduction de cet effet dépend essentiellement des conditions dans lesquelles l'expérience est réalisée. Précisément parce qu'il n'est pas toujours reproduit. OV Mosin

En 1963, un écolier tanzanien du nom d'Erasto Mpemba a posé une question stupide à son professeur : pourquoi la crème glacée chaude a-t-elle gelé plus rapidement que la crème glacée froide dans son congélateur ?

Erasto Mpemba était étudiant au lycée Magambin en Tanzanie et effectuait des travaux pratiques de cuisine. Il devait faire de la glace maison - faire bouillir du lait, y dissoudre du sucre, le refroidir à température ambiante, puis le mettre au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n'était pas un étudiant particulièrement assidu et a tergiversé sur la première partie du devoir. Craignant de ne pas être à l'heure à la fin du cours, il mit du lait encore chaud au réfrigérateur. A sa grande surprise, il a gelé encore plus tôt que le lait de ses camarades, préparé selon une technologie donnée.

Il s'est tourné vers le professeur de physique pour obtenir des éclaircissements, mais il s'est contenté de se moquer de l'élève en disant ce qui suit : "Ce n'est pas la physique du monde, mais la physique de Mpemba." Après cela, Mpemba a expérimenté non seulement avec du lait, mais aussi avec de l'eau plate.

En tout cas, étant déjà étudiant au lycée Mkvava, il a interrogé le professeur Dennis Osborne du Collège universitaire de Dar es Salaam (invité par le directeur de l'école pour donner une conférence sur la physique aux étudiants) à propos de l'eau : « Si vous prenez deux récipients identiques avec des volumes d'eau égaux pour que dans l'un l'eau ait une température de 35 ° C et dans l'autre - 100 ° C, et mettez-les au congélateur, puis dans le second l'eau gèlera plus rapide. Pourquoi?" Osborn s'est intéressé à cette question et bientôt en 1969, avec Mpemba, ils ont publié les résultats de leurs expériences dans la revue Physics Education. Depuis lors, l'effet qu'ils ont découvert s'appelle l'effet Mpemba.

Êtes-vous curieux de savoir pourquoi cela se produit? Il y a quelques années à peine, des scientifiques ont réussi à expliquer ce phénomène...

L'effet Mpemba (Mpemba Paradox) est un paradoxe qui stipule que l'eau chaude dans certaines conditions gèle plus rapidement que l'eau froide, bien qu'elle doive dépasser la température de l'eau froide en cours de congélation. Ce paradoxe est un fait expérimental qui contredit les idées habituelles selon lesquelles, dans les mêmes conditions, un corps plus chaud a besoin de plus de temps pour se refroidir à une certaine température qu'un corps plus froid pour se refroidir à la même température.

Ce phénomène a été remarqué à l'époque par Aristote, Francis Bacon et René Descartes. Jusqu'à présent, personne ne sait exactement comment expliquer cet effet étrange. Les scientifiques n'ont pas de version unique, bien qu'il y en ait beaucoup. Il s'agit de la différence entre les propriétés de l'eau chaude et de l'eau froide, mais on ne sait pas encore quelles propriétés jouent un rôle dans ce cas : la différence de surfusion, d'évaporation, de formation de glace, de convection ou l'effet des gaz liquéfiés sur l'eau à différentes températures. Le paradoxe de l'effet Mpemba est que le temps pendant lequel le corps se refroidit jusqu'à la température ambiante doit être proportionnel à la différence de température entre ce corps et l'environnement. Cette loi a été établie par Newton et depuis lors a été confirmée à plusieurs reprises dans la pratique. Dans le même effet, l'eau à 100°C se refroidit à 0°C plus rapidement que la même quantité d'eau à 35°C.

Depuis lors, différentes versions ont été exprimées, dont l'une était la suivante : une partie de l'eau chaude s'évapore simplement dans un premier temps, puis, lorsqu'il en reste une plus petite quantité, l'eau se solidifie plus rapidement. Cette version, en raison de sa simplicité, est devenue la plus populaire, mais les scientifiques n'étaient pas complètement satisfaits.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université technologique de Nanyang à Singapour, dirigée par le chimiste Xi Zhang, affirme avoir résolu le mystère séculaire de la raison pour laquelle l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Comme l'ont découvert des experts chinois, le secret réside dans la quantité d'énergie stockée dans les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau.

Comme vous le savez, les molécules d'eau sont constituées d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène liés par des liaisons covalentes, ce qui, au niveau des particules, ressemble à un échange d'électrons. Un autre fait bien connu est que les atomes d'hydrogène sont attirés par les atomes d'oxygène des molécules voisines - dans ce cas, des liaisons hydrogène se forment.

Dans le même temps, les molécules d'eau dans leur ensemble se repoussent. Des scientifiques de Singapour ont remarqué que plus l'eau était chaude, plus la distance entre les molécules du liquide était grande en raison de l'augmentation des forces répulsives. En conséquence, les liaisons hydrogène sont étirées et stockent donc plus d'énergie. Cette énergie est libérée lorsque l'eau se refroidit - les molécules se rapprochent. Et le retour d'énergie, comme vous le savez, signifie refroidissement.

Voici les hypothèses avancées par les scientifiques :

Évaporation

L'eau chaude s'évapore plus rapidement du récipient, réduisant ainsi son volume, et un plus petit volume d'eau à la même température gèle plus rapidement. L'eau chauffée à 100°C perd 16% de sa masse lorsqu'elle est refroidie à 0°C. L'effet d'évaporation est un double effet. Tout d'abord, la masse d'eau nécessaire au refroidissement est réduite. Et deuxièmement, en raison de l'évaporation, sa température diminue.

différence de température

En raison du fait que la différence de température entre l'eau chaude et l'air froid est plus grande - par conséquent, le transfert de chaleur dans ce cas est plus intense et l'eau chaude se refroidit plus rapidement.

hypothermie
Lorsque l'eau est refroidie en dessous de 0°C, elle ne gèle pas toujours. Dans certaines conditions, il peut subir une surfusion tout en restant liquide à des températures inférieures au point de congélation. Dans certains cas, l'eau peut rester liquide même à -20°C. La raison de cet effet est que pour que les premiers cristaux de glace commencent à se former, des centres de formation de cristaux sont nécessaires. S'ils ne sont pas dans de l'eau liquide, la surfusion se poursuivra jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que des cristaux commencent à se former spontanément. Lorsqu'ils commencent à se former dans le liquide surfondu, ils commencent à se développer plus rapidement, formant une bouillie de glace qui gèlera pour former de la glace. L'eau chaude est la plus sensible à l'hypothermie car la chauffer élimine les gaz dissous et les bulles, qui à leur tour peuvent servir de centres de formation de cristaux de glace. Pourquoi l'hypothermie fait-elle geler plus rapidement l'eau chaude ? Dans le cas d'une eau froide non surfondue, il se forme à sa surface une fine couche de glace qui agit comme un isolant entre l'eau et l'air froid et empêche ainsi toute évaporation ultérieure. Le taux de formation de cristaux de glace dans ce cas sera moindre. Dans le cas d'eau chaude subissant un sous-refroidissement, l'eau sous-refroidie n'a pas de couche protectrice de glace en surface. Par conséquent, il perd de la chaleur beaucoup plus rapidement par le haut ouvert. Lorsque le processus de surfusion se termine et que l'eau gèle, beaucoup plus de chaleur est perdue et donc plus de glace se forme. De nombreux chercheurs de cet effet considèrent l'hypothermie comme le facteur principal dans le cas de l'effet Mpemba.
Convection

L'eau froide commence à geler par le haut, aggravant ainsi les processus de rayonnement thermique et de convection, et donc la perte de chaleur, tandis que l'eau chaude commence à geler par le bas. Cet effet s'explique par une anomalie de la densité de l'eau. L'eau a une densité maximale à 4°C. Si vous refroidissez l'eau à 4°C et que vous la placez dans un environnement à température plus basse, la couche d'eau en surface gèlera plus rapidement. Parce que cette eau est moins dense que l'eau à 4°C, elle va rester en surface, formant une fine couche froide. Dans ces conditions, une fine couche de glace se formera à la surface de l'eau pendant un court instant, mais cette couche de glace servira d'isolant protégeant les couches d'eau inférieures, qui resteront à 4°C. Par conséquent, le processus de refroidissement ultérieur sera plus lent. Dans le cas de l'eau chaude, la situation est complètement différente. La couche d'eau de surface se refroidira plus rapidement en raison de l'évaporation et des différences de température plus importantes. De plus, les couches d'eau froide sont plus denses que les couches d'eau chaude, de sorte que la couche d'eau froide coulera, soulevant la couche d'eau chaude à la surface. Cette circulation d'eau assure une chute rapide de la température. Mais pourquoi ce processus n'atteint-il pas le point d'équilibre ? Pour expliquer l'effet Mpemba du point de vue de la convection, on supposerait que les couches d'eau froide et chaude sont séparées et que le processus de convection lui-même se poursuit après que la température moyenne de l'eau est descendue en dessous de 4°C. Cependant, il n'y a aucune preuve expérimentale pour soutenir cette hypothèse selon laquelle les couches d'eau froide et chaude sont séparées par convection.

gaz dissous dans l'eau

L'eau contient toujours des gaz qui y sont dissous - de l'oxygène et du dioxyde de carbone. Ces gaz ont la capacité d'abaisser le point de congélation de l'eau. Lorsque l'eau est chauffée, ces gaz sont libérés de l'eau car leur solubilité dans l'eau à haute température est plus faible. Par conséquent, lorsque l'eau chaude est refroidie, elle contient toujours moins de gaz dissous que dans l'eau froide non chauffée. Par conséquent, le point de congélation de l'eau chauffée est plus élevé et elle gèle plus rapidement. Ce facteur est parfois considéré comme le principal pour expliquer l'effet Mpemba, bien qu'il n'y ait pas de données expérimentales confirmant ce fait.

Conductivité thermique

Ce mécanisme peut jouer un rôle important lorsque l'eau est placée dans un réfrigérateur congélateur dans de petits récipients. Dans ces conditions, il a été observé que le récipient avec de l'eau chaude fait fondre la glace du congélateur en dessous, améliorant ainsi le contact thermique avec la paroi du congélateur et la conductivité thermique. En conséquence, la chaleur est évacuée du réservoir d'eau chaude plus rapidement que du réservoir d'eau froide. À son tour, le récipient contenant de l'eau froide ne fait pas fondre la neige en dessous. Toutes ces conditions (ainsi que d'autres) ont été étudiées dans de nombreuses expériences, mais une réponse sans ambiguïté à la question - laquelle d'entre elles fournit une reproduction à 100% de l'effet Mpemba - n'a pas été obtenue. Ainsi, par exemple, en 1995, le physicien allemand David Auerbach a étudié l'influence de la surfusion de l'eau sur cet effet. Il a découvert que l'eau chaude, atteignant un état de surfusion, gèle à une température plus élevée que l'eau froide, et donc plus rapidement que cette dernière. Mais l'eau froide atteint un état de surfusion plus rapidement que l'eau chaude, compensant ainsi le décalage précédent. De plus, les résultats d'Auerbach contredisent les données antérieures selon lesquelles l'eau chaude est capable d'obtenir une surfusion plus importante en raison du nombre réduit de centres de cristallisation. Lorsque l'eau est chauffée, les gaz qui y sont dissous en sont retirés et lorsqu'elle est bouillie, certains sels qui y sont dissous précipitent. Jusqu'à présent, une seule chose peut être affirmée - la reproduction de cet effet dépend de manière significative des conditions dans lesquelles l'expérience est réalisée. Précisément parce qu'il n'est pas toujours reproduit.

Et voici la raison la plus probable.

Comme l'écrivent les chimistes dans leur article, qui peut être trouvé sur le site de prépublication arXiv.org, les liaisons hydrogène sont plus fortement étirées dans l'eau chaude que dans l'eau froide. Ainsi, il s'avère que plus d'énergie est stockée dans les liaisons hydrogène de l'eau chaude, ce qui signifie qu'une plus grande quantité en est libérée lorsqu'elle est refroidie à des températures inférieures à zéro. Pour cette raison, la congélation est plus rapide.

À ce jour, les scientifiques n'ont résolu cette énigme que théoriquement. Lorsqu'ils présentent des preuves convaincantes de leur version, la question de savoir pourquoi l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide peut être considérée comme résolue.

Quelle eau gèle plus rapidement, chaude ou froide, est influencée par de nombreux facteurs, mais la question elle-même semble un peu étrange. Il est entendu, et c'est connu de la physique, que l'eau chaude a encore besoin de temps pour se refroidir à la température de l'eau froide comparable afin de se transformer en glace. cette étape peut être sautée et, par conséquent, elle gagne à temps.

Mais la réponse à la question de savoir quelle eau gèle plus rapidement - froide ou chaude - dans la rue en gelée, tout habitant des latitudes nord la connaît. En fait, scientifiquement, il s'avère que dans tous les cas, l'eau froide doit simplement geler plus rapidement.

Il en a été de même pour le professeur de physique, qui a été approché par l'écolier Erasto Mpemba en 1963 pour lui demander d'expliquer pourquoi le mélange froid de la future glace gèle plus longtemps qu'un mélange similaire, mais chaud.

"Ce n'est pas la physique mondiale, mais une sorte de physique Mpemba"

À ce moment-là, le professeur n'a fait que rire de cela, mais Deniss Osborne, professeur de physique, qui à un moment donné est allé à la même école où Erasto a étudié, a confirmé expérimentalement l'existence d'un tel effet, bien qu'il n'y ait eu aucune explication à cela alors . En 1969, une revue scientifique populaire a publié un article conjoint des deux hommes qui ont décrit cet effet particulier.

Depuis lors, soit dit en passant, la question de savoir quelle eau gèle plus rapidement - chaude ou froide, a son propre nom - l'effet, ou le paradoxe, Mpemba.

La question tourne depuis longtemps

Naturellement, un tel phénomène a déjà eu lieu et il a été mentionné dans les travaux d'autres scientifiques. Non seulement l'écolier s'est intéressé à cette question, mais René Descartes et même Aristote y ont pensé à un moment donné.

Voici quelques approches pour résoudre ce paradoxe a commencé à regarder seulement à la fin du XXe siècle.

Conditions pour qu'un paradoxe se produise

Comme pour la crème glacée, ce n'est pas seulement l'eau ordinaire qui gèle pendant l'expérience. Certaines conditions doivent être présentes afin de commencer à discuter de l'eau qui gèle le plus rapidement - froide ou chaude. Qu'est-ce qui influence ce processus ?

Or, au XXIe siècle, plusieurs options ont été avancées pour expliquer ce paradoxe. Quelle eau gèle plus rapidement, chaude ou froide, peut dépendre du fait qu'elle a un taux d'évaporation plus élevé que l'eau froide. Ainsi, son volume diminue, et avec une diminution de volume, le temps de congélation devient plus court que si l'on prend un volume initial d'eau froide similaire.

Le congélateur a longtemps été dégivré

Quelle eau gèle plus rapidement, et pourquoi elle le fait, peut être affectée par la couche de neige qui peut être présente dans le congélateur du réfrigérateur utilisé pour l'expérience. Si vous prenez deux récipients de volume identique, mais que l'un contiendra de l'eau chaude et l'autre de l'eau froide, le récipient contenant de l'eau chaude fera fondre la neige en dessous, améliorant ainsi le contact du niveau thermique avec la paroi du réfrigérateur. Un réservoir d'eau froide ne peut pas faire cela. S'il n'y a pas une telle doublure avec de la neige dans le réfrigérateur, l'eau froide devrait geler plus rapidement.

Haut - bas

De plus, le phénomène selon lequel l'eau gèle plus rapidement - chaude ou froide, s'explique comme suit. Suivant certaines lois, l'eau froide commence à geler à partir des couches supérieures, quand l'eau chaude le fait dans l'autre sens - elle commence à geler de bas en haut. Il s'avère que l'eau froide, ayant une couche froide sur le dessus avec de la glace déjà formée à certains endroits, aggrave ainsi les processus de convection et de rayonnement thermique, expliquant ainsi quelle eau gèle plus rapidement - froide ou chaude. Une photo d'expériences amateurs est jointe, et ici elle est clairement visible.

La chaleur s'éteint, tendant vers le haut, et là elle rencontre une couche très froide. Il n'y a pas de chemin libre pour le rayonnement thermique, de sorte que le processus de refroidissement devient difficile. L'eau chaude n'a absolument pas de telles barrières sur son chemin. Ce qui gèle plus rapidement - froid ou chaud, dont dépend le résultat probable, vous pouvez élargir la réponse en disant que toute eau contient certaines substances dissoutes.

Les impuretés dans la composition de l'eau comme facteur influençant le résultat

Si vous ne trichez pas et utilisez de l'eau de même composition, où les concentrations de certaines substances sont identiques, alors l'eau froide devrait geler plus rapidement. Mais si une situation se produit lorsque des éléments chimiques dissous ne sont présents que dans l'eau chaude, alors que l'eau froide ne les possède pas, l'eau chaude a la possibilité de geler plus tôt. Cela s'explique par le fait que les substances dissoutes dans l'eau créent des centres de cristallisation, et avec un petit nombre de ces centres, la transformation de l'eau à l'état solide est difficile. Même la surfusion de l'eau est possible, en ce sens qu'à des températures inférieures à zéro, elle sera à l'état liquide.

Mais toutes ces versions, apparemment, ne convenaient pas aux scientifiques jusqu'au bout, et ils ont continué à travailler sur cette question. En 2013, une équipe de chercheurs à Singapour a déclaré avoir résolu le mystère séculaire.

Un groupe de scientifiques chinois affirme que le secret de cet effet réside dans la quantité d'énergie stockée entre les molécules d'eau dans ses liaisons, appelées liaisons hydrogène.

La réponse des scientifiques chinois

D'autres informations suivront, pour la compréhension desquelles il est nécessaire d'avoir des connaissances en chimie afin de déterminer quelle eau gèle le plus rapidement - chaude ou froide. Comme vous le savez, il se compose de deux atomes H (hydrogène) et d'un atome O (oxygène) liés par des liaisons covalentes.

Mais les atomes d'hydrogène d'une molécule sont également attirés par les molécules voisines, par leur composant oxygène. Ces liaisons sont appelées liaisons hydrogène.

Dans le même temps, il convient de rappeler qu'en même temps, les molécules d'eau agissent de manière répulsive les unes sur les autres. Les scientifiques ont noté que lorsque l'eau est chauffée, la distance entre ses molécules augmente, ce qui est facilité par les forces répulsives. Il s'avère qu'en occupant une distance entre les molécules à l'état froid, on peut dire qu'elles s'étirent et qu'elles ont un plus grand apport d'énergie. C'est cette réserve d'énergie qui est libérée lorsque les molécules d'eau commencent à se rapprocher, c'est-à-dire qu'un refroidissement se produit. Il s'avère qu'une plus grande quantité d'énergie dans l'eau chaude, et sa plus grande libération lorsqu'elle est refroidie à des températures inférieures à zéro, se produit plus rapidement que dans l'eau froide, qui a une plus petite quantité d'énergie. Alors quelle eau gèle le plus vite - froide ou chaude ? Dans la rue et au laboratoire, le paradoxe de Mpemba devrait se produire et l'eau chaude devrait se transformer en glace plus rapidement.

Mais la question reste ouverte

Il n'y a qu'une confirmation théorique de cet indice - tout cela est écrit dans de belles formules et semble plausible. Mais lorsque les données expérimentales, que l'eau gèle plus rapidement - chaude ou froide, seront mises dans un sens pratique, et leurs résultats seront présentés, alors il sera possible de considérer la question du paradoxe de Mpemba fermée.

De nombreux chercheurs ont proposé et proposent leurs propres versions pour expliquer pourquoi l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Cela semblerait un paradoxe - après tout, pour geler, l'eau chaude doit d'abord se refroidir. Cependant, le fait demeure et les scientifiques l'expliquent de différentes manières.

À l'heure actuelle, il existe plusieurs versions qui expliquent ce fait:

1. Comme l'évaporation dans l'eau chaude est plus rapide, son volume diminue. Une plus petite quantité d'eau à la même température gèle plus rapidement.
2. Le compartiment congélateur du réfrigérateur est doté d'un revêtement anti-neige. Un récipient contenant de l'eau chaude fait fondre la neige en dessous. Cela améliore le contact thermique avec le congélateur.
3. La congélation de l'eau froide, contrairement à l'eau chaude, commence par le haut. Dans ce cas, la convection et le rayonnement thermique et, par conséquent, la perte de chaleur s'aggravent.
4. Dans l'eau froide, il y a des centres de cristallisation - des substances qui y sont dissoutes. Avec une petite quantité d'entre eux dans l'eau, le givrage est difficile, même si en même temps, son hypothermie est possible - lorsqu'il est à l'état liquide à des températures inférieures à zéro.

Bien qu'en toute honnêteté, on puisse dire que cet effet n'est pas toujours observé. L'eau froide gèle souvent plus vite que l'eau chaude.

A quelle température l'eau gèle

Pourquoi l'eau gèle-t-elle du tout? Il contient une certaine quantité de particules minérales ou organiques. Ceux-ci, par exemple, peuvent être de très fines particules de sable, de poussière ou d'argile. Lorsque la température de l'air baisse, ces particules deviennent des centres autour desquels se forment des cristaux de glace.

Le rôle des noyaux de cristallisation peut également être assuré par des bulles d'air et des fissures dans un récipient contenant de l'eau. La vitesse du processus de transformation de l'eau en glace est largement influencée par le nombre de ces centres - s'il y en a beaucoup, le liquide gèle plus rapidement. Dans des conditions normales, avec une pression atmosphérique normale, l'eau passe à l'état solide du liquide à une température de 0 degrés.

L'essence de l'effet Mpemba

L'effet Mpemba est compris comme un paradoxe dont l'essence est que, dans certaines circonstances, l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Ce phénomène a été remarqué par Aristote et Descartes. Cependant, ce n'est qu'en 1963 qu'Erasto Mpemba, un écolier de Tanzanie, a déterminé que la crème glacée chaude gèle en moins de temps que la crème glacée froide. Il a fait une telle conclusion en effectuant la tâche de cuisiner.

Il devait dissoudre du sucre dans du lait bouilli et, après l'avoir refroidi, le placer au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n'a pas différé dans la diligence particulière et a commencé à effectuer la première partie de la tâche tardivement. Par conséquent, il n'a pas attendu que le lait refroidisse et l'a mis chaud au réfrigérateur. Il a été très surpris quand il a gelé encore plus vite que celui de ses camarades de classe, qui ont fait le travail conformément à la technologie donnée.

Ce fait a beaucoup intéressé le jeune homme et il a commencé des expériences avec de l'eau ordinaire. En 1969, la revue Physics Education publie les résultats des recherches de Mpemba et du professeur Dennis Osborn de l'Université de Dar es Salaam. L'effet qu'ils ont décrit a reçu le nom de Mpemba. Cependant, même aujourd'hui, il n'y a pas d'explication claire au phénomène. Tous les scientifiques s'accordent à dire que le rôle principal dans ce domaine appartient aux différences dans les propriétés de l'eau réfrigérée et chaude, mais ce qui est exactement inconnu.

version singapourienne

Des physiciens de l'une des universités de Singapour se sont également intéressés à la question : quelle eau gèle plus rapidement - chaude ou froide ? Une équipe de chercheurs dirigée par Xi Zhang a expliqué ce paradoxe précisément par les propriétés de l'eau. Tout le monde connaît encore la composition de l'eau de l'école - un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. L'oxygène attire dans une certaine mesure les électrons de l'hydrogène, de sorte que la molécule est un certain type "d'aimant".

En conséquence, certaines molécules de l'eau sont légèrement attirées les unes vers les autres et sont unies par une liaison hydrogène. Sa force est plusieurs fois inférieure à celle de la liaison covalente. Des chercheurs singapouriens pensent que l'explication du paradoxe de Mpemba réside précisément dans les liaisons hydrogène. Si les molécules d'eau sont placées très près les unes des autres, une interaction aussi forte entre les molécules peut déformer la liaison covalente au milieu de la molécule elle-même.

Mais lorsque l'eau est chauffée, les molécules liées s'éloignent légèrement les unes des autres. En conséquence, la relaxation des liaisons covalentes se produit au milieu des molécules avec le retour de l'excès d'énergie et le passage au niveau d'énergie le plus bas. Cela conduit au fait que l'eau chaude commence à se refroidir rapidement. C'est du moins ce que montrent les calculs théoriques effectués par des scientifiques singapouriens.

Gel instantané de l'eau - 5 astuces incroyables : vidéo

La chimie était l'une de mes matières préférées à l'école. Une fois, un professeur de chimie nous a donné une tâche très étrange et difficile. Il nous a donné une liste de questions auxquelles nous devions répondre en termes de chimie. On nous a donné plusieurs jours pour cette tâche et on nous a permis d'utiliser les bibliothèques et autres sources d'information disponibles. L'une de ces questions concernait le point de congélation de l'eau. Je ne me souviens pas exactement comment la question sonnait, mais il s'agissait du fait que si vous prenez deux seaux en bois de la même taille, l'un avec de l'eau chaude, l'autre avec de l'eau froide (à exactement la température spécifiée), et que vous les placez dans un environnement avec une certaine température, lequel gèlera-t-il le plus rapidement ? Bien sûr, la réponse s'est immédiatement suggérée - un seau d'eau froide, mais cela nous a semblé trop simple. Mais cela ne suffisait pas pour donner une réponse complète, il fallait le prouver d'un point de vue chimique. Malgré toutes mes réflexions et mes recherches, je n'arrivais pas à tirer une conclusion logique. Ce jour-là, j'ai même décidé de sauter cette leçon, donc je n'ai jamais trouvé la solution à cette énigme.

Les années ont passé et j'ai appris beaucoup de mythes quotidiens sur le point d'ébullition et le point de congélation de l'eau, et un mythe disait : "l'eau chaude gèle plus vite". J'ai consulté de nombreux sites Web, mais les informations étaient trop contradictoires. Et ce n'étaient que des opinions, sans fondement du point de vue de la science. Et j'ai décidé de mener ma propre expérience. Comme je ne trouvais pas de seaux en bois, j'ai utilisé un congélateur, une cuisinière, de l'eau et un thermomètre numérique. Je parlerai des résultats de mon expérience un peu plus tard. Tout d'abord, je vais partager avec vous quelques arguments intéressants sur l'eau :

L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. La plupart des experts disent que l'eau froide gèlera plus rapidement que l'eau chaude. Mais un drôle de phénomène (le soi-disant effet Memba), pour des raisons inconnues, prouve le contraire : l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. L'une des nombreuses explications est le processus d'évaporation : si de l'eau très chaude est placée dans un environnement froid, l'eau commencera à s'évaporer (la quantité d'eau restante gèlera plus rapidement). Et selon les lois de la chimie, ce n'est pas du tout un mythe, et c'est très probablement ce que l'enseignant voulait entendre de nous.

L'eau bouillie gèle plus vite que l'eau du robinet. Malgré l'explication précédente, certains experts affirment que l'eau bouillie refroidie à température ambiante devrait geler plus rapidement car la quantité d'oxygène est réduite à la suite de l'ébullition.

L'eau froide bout plus vite que l'eau chaude. Si l'eau chaude gèle plus vite, l'eau froide peut bouillir plus vite ! Ceci est contraire au bon sens et les scientifiques soutiennent que cela ne peut tout simplement pas être le cas. L'eau chaude du robinet devrait en fait bouillir plus vite que l'eau froide. Mais en utilisant de l'eau chaude pour bouillir, vous n'économisez pas d'énergie. Vous utiliserez peut-être moins de gaz ou d'électricité, mais le chauffe-eau utilisera la même quantité d'énergie nécessaire pour chauffer l'eau froide. (L'énergie solaire est un peu différente.) En chauffant l'eau avec un chauffe-eau, des sédiments peuvent se former, de sorte que l'eau mettra plus de temps à se réchauffer.

Si vous ajoutez du sel à l'eau, elle bouillira plus rapidement. Le sel augmente le point d'ébullition (et donc abaisse le point de congélation - c'est pourquoi certaines ménagères ajoutent un peu de sel gemme à la crème glacée). Mais dans ce cas, nous nous intéressons à une autre question: combien de temps l'eau bouillira-t-elle et si le point d'ébullition dans ce cas peut dépasser 100 ° C). Malgré ce que disent les livres de cuisine, les scientifiques disent que la quantité de sel que nous ajoutons à l'eau bouillante n'est pas suffisante pour affecter le temps ou la température de l'ébullition.

Mais voici ce que j'ai :

Eau froide : j'ai utilisé trois béchers en verre de 100 ml d'eau purifiée : un à température ambiante (72 °F/22 °C), un à eau chaude (115 °F/46 °C) et un bouilli (212 °F/100 °C). C). J'ai placé les trois verres au congélateur à -18°C. Et comme je savais que l'eau ne se transformerait pas immédiatement en glace, j'ai déterminé le degré de congélation par le «flotteur en bois». Lorsque le bâton, placé au centre du verre, n'a plus touché le fond, j'ai cru que l'eau avait gelé. Je vérifiais les verres toutes les cinq minutes. Et quels sont mes résultats ? L'eau du premier verre a gelé au bout de 50 minutes. L'eau chaude a gelé après 80 minutes. Bouilli - après 95 minutes. Mes conclusions : Compte tenu des conditions dans le congélateur et de l'eau que j'ai utilisée, je n'ai pas pu reproduire l'effet Memba.

J'ai également tenté cette expérience avec de l'eau préalablement bouillie et refroidie à température ambiante. Il a gelé en 60 minutes - il a quand même fallu plus de temps que l'eau froide pour geler.

Eau bouillie : J'ai pris un litre d'eau à température ambiante et j'ai mis le feu. Elle a bouilli en 6 minutes. Ensuite, je l'ai refroidi à nouveau à température ambiante et l'ai ajouté au chaud. Avec le même feu, l'eau chaude a bouilli en 4 heures et 30 minutes. Conclusion : comme prévu, l'eau chaude bout beaucoup plus vite.

Eau bouillie (avec du sel): J'ai ajouté 2 grandes cuillères à soupe de sel de table à 1 litre d'eau. Il a bouilli en 6 minutes 33 secondes et, comme le montre le thermomètre, il a atteint une température de 102°C. Sans aucun doute, le sel affecte le point d'ébullition, mais pas beaucoup. Conclusion: le sel dans l'eau n'affecte pas beaucoup la température et le temps d'ébullition. J'admets honnêtement que ma cuisine est difficile à appeler un laboratoire, et peut-être que mes conclusions sont contraires à la réalité. Mon congélateur peut congeler les aliments de manière inégale. Mes verres en verre peuvent être irréguliers, etc. Mais quoi qu'il arrive au laboratoire, lorsqu'il s'agit de congeler ou de faire bouillir de l'eau dans la cuisine, le plus important est le bon sens.

lien avec des faits intéressants sur l'eautout sur l'eau
comme suggéré sur le forum forum.ixbt.com, cet effet (l'effet de geler l'eau chaude plus vite que l'eau froide) est appelé "l'effet Aristote-Mpemba"

Ceux. l'eau bouillie (réfrigérée) gèle plus vite que "crue"