Kann heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser
Ja - eine allgemeine Erklärung
Heißes Wasser kann in der Tat friert schneller als kaltes Wasser für eine Vielzahl von experimentellen Bedingungen. Dieses Phänomen ist sehr eingängig und überraschend auch für die meisten Wissenschaftler, aber es ist in der Tat real. Es wurde in zahlreichen Experimenten gesehen und untersucht. Während dieses Phänomen ist seit Jahrhunderten bekannt, und wurde von Aristoteles, Bacon, Descartes und [1-3] beschrieben. es wurde nicht genannt Mpemba von einem tansanischen High-School-Schüler bis 1969 an die moderne Wissenschaft eingeführt. Sowohl die frühe wissenschaftliche Geschichte dieses Effekts, und die Geschichte von Mpemba Neuentdeckung davon, ist interessant in ihrem eigenen Recht - Mpemba Geschichte insbesondere eine dramatische Parabel bietet gegen machen Snap Urteile über das, was unmöglich ist. Dies wird weiter unten gesondert beschrieben.
Es ist noch nicht genau bekannt, warum dies geschieht. Eine Reihe von möglichen Erklärungen für den Effekt vorgeschlagen worden, aber bisher die Versuche zeigen nicht eindeutig, welche, wenn überhaupt, von den vorgeschlagenen Mechanismen ist das wichtigste. Während Sie oft zuversichtlich Ansprüche hören, dass X die Ursache für die Mpemba Wirkung ist, werden solche Ansprüche in der Regel auf Vermutungen basieren, oder in nur ein paar Papiere auf die Beweise auf der Suche und den Rest zu ignorieren. Natürlich ist es nichts falsch mit informierten theoretischen Vermutungen oder ein selektiven, in dem Sie experimentelle Ergebnisse vertrauen; das Problem ist, dass unterschiedliche Menschen unterschiedliche Ansprüche, was X machen.
Warum hat die moderne Wissenschaft beantwortet diese scheinbar einfache Frage zu Wasserkühlung? Das Hauptproblem ist, dass die Zeit, das Wasser braucht, um eine Reihe von Details in dem experimentellen Aufbau hochempfindlichen einzufrieren ist, wie die Form und Größe des Behälters, die Form und Größe der Kühleinheit, das Gas und Fremdbestandteile das Wasser, wie die Zeit des Einfrierens definiert ist, und so weiter. Wegen dieser Empfindlichkeit, während Experimente haben in der Regel vereinbart, dass der Mpemba Effekt tritt auf, nicht einverstanden sind sie über die Bedingungen, unter denen sie auftritt, und somit darüber, warum es auftritt. Wie Firth [7] schrieb „Es gibt eine Fülle von experimentellen Variation des Problems ist so, dass alle Labor Unternehmen solche Untersuchungen zu unterschiedlichen Ergebnissen von allen anderen gewährleistet ist.“
Die Geschichte des Mpemba Effect
Die Tatsache, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes seit vielen Jahrhunderten bekannt. Der früheste Hinweis auf dieses Phänomen geht in 300 v.Chr. Auf Aristoteles zurück Das Phänomen wurde später im Mittelalter diskutiert, wie europäische Physiker mit einer Theorie der Wärme kommen zu kämpfen. Aber bis zum 20. Jahrhundert wurde das Phänomen nur als gemeinsame Folklore bekannt, bis es an die wissenschaftlichen Gemeinschaft im Jahr 1969 von Mpemba, ein tansanischen High-School-Schülern wieder eingeführt wurde. Seitdem haben zahlreiche Versuche, die Existenz des „Mpemba-Effekt“ bestätigt, aber nicht auf eine einzelne Erklärung angesiedelt.
Der früheste bekannte Hinweis auf dieses Phänomen ist, von Aristoteles, der schrieb:
„Die Tatsache, dass das Wasser wurde beiträgt vorher erwärmt auf sein Einfrieren schnell, denn so kühlt es früher Daher viele Menschen, wenn sie heißes Wasser schnell abkühlen wollen, beginnen, indem sie in der Sonne setzen.“. [1,4]
Er schrieb diese Worte zur Unterstützung einer falschen Vorstellung, die er antiperistasis genannt. Antiperistasis ist definiert als „der vermeintlichen Erhöhung der Intensität von einer Qualität als Ergebnis von dessen Gegenteil Qualität umgeben ist, zum Beispiel, die plötzliche Erwärmung eines warmen Körper, wenn sie durch Kalt umgeben“ [4].
Später, in den 1600er Jahren, war es offenbar allgemein bekannt, dass heißes Wasser würde als kalt schnelles einfrieren. Im Jahr 1620 schrieb Speck „Wasser leicht warm ist leichter als ziemlich kalt eingefroren“ [2]. während etwas später Descartes „Die Erfahrung zeigt, dass Wasser, das für eine lange Zeit auf dem Feuer gehalten friert früher als anderes Wasser wurde“, behauptete [3].
Im Jahr 1963 machte Mpemba Eis in der Schule, die er durch Mischen kochende Milch mit Zucker tat. Er sollte für die Milch warten, abkühlen lassen, bevor es den Kühlschrank platzieren, aber in Eile knappen Kühlschrank Raum zu bekommen, legte seine Milch in ohne es zu kühlen. Zu seiner Überraschung fand er, dass seine heiße Milch in Eis erstarrte vor den anderen Schüler. Er bat seine Physiklehrer für eine Erklärung, aber mir wurde gesagt, dass er verwirrt worden sein, da seine Beobachtung nicht möglich war.
Mpemba glaubte seinen Lehrer an der Zeit. Aber noch im selben Jahr traf er einen Freund von ihm, die hergestellt und verkauft Eis in der Stadt Tanga. Sein Freund sagte Mpemba, dass, wenn Eis zu machen, er die heißen Flüssigkeiten in den Kühlschrank stellen, um sie schneller einfrieren. Mpemba festgestellt, dass andere Eis Verkäufer in Tanga die gleiche Praxis hatte.
Später, als in der High School, Mpemba Newtons Gesetz der Abkühlung gelernt, die beschreibt, wie heiße Körper sollen abkühlen (unter bestimmten vereinfachenden Annahmen). Mpemba fragte seinen Lehrer, warum heiße Milch vor kalter Milch erstarrten, als er sich in der Gefrierschrank. Der Lehrer antwortete, dass Mpemba verwechselt worden sein. Wenn Mpemba streitet gehalten, sagte der Lehrer „Alles was ich sagen kann, ist, dass Mpemba Physik und nicht die universelle Physik“ und von da an, der Lehrer und die Klasse würde Mpemba die Fehler in Mathematik und Physik kritisieren, indem er sagt: „Das ist die Mpemba Mathematik“ oder „Das ist Physik des Mpemba.“ Aber wenn Mpemba später das Experiment versucht, mit heißem und kaltem Wasser in der Biologie Labor seiner Schule, fand er wieder, dass das heiße Wasser früher erstarrte.
Die anschließende Diskussion über die Wirkung hat nicht schlüssig. Während nicht wenige Experimente haben die Wirkung [4,6-13] repliziert. es hat kein Konsens darüber, was die Wirkung verursacht. Die verschiedenen möglichen Erklärungen werden oben diskutiert. Der Effekt hat wiederholt ein Thema hitziger Diskussion in dem „New Scientist“, ein beliebten Wissenschaftsmagazin. Die Buchstaben haben ergeben, dass die Wirkung von Laien auf der ganzen Welt bekannt war lange vor 1969. Heute gibt es noch keine gut vereinbarte Erklärung der Mpemba Wirkung.
Weitere detaillierte Erklärungen
Verdunstung
Eine Erklärung für den Effekt ist, dass das heiße Wasser kühlt, es Masse Verdampfen verliert. Mit weniger Masse hat die Flüssigkeit weniger Wärme zu verlieren, zu kühlen und so kühlt es schneller. Mit dieser Erklärung, friert das heiße Wasser zuerst, aber nur, weil es weniger davon einzufrieren. Berechnungen von Kell 1969 durchgeführt [11] haben gezeigt, dass, wenn das Wasser allein durch Verdampfung abgekühlt und gehalten, um eine gleichmäßige Temperatur, das wärmere Wasser vor dem kühleren Wasser gefrieren würde.
Diese Erklärung ist solide, intuitive und trägt zweifellos zur Mpemba Wirkung in den meisten physikalischen Situationen. Allerdings haben viele Menschen fälschlicherweise davon ausgegangen, dass es daher „die“ Erklärung für die Mpemba Wirkung. Das heißt, sie gehen davon aus, dass der einzige Grund, heißes Wasser gefrieren kann schneller als kalt ist, weil der Verdunstung, und dass alle experimentellen Ergebnisse können durch die Berechnungen in Kell Artikel erläutert. Allerdings bestätigen die Versuche zur Zeit nicht diesen Glauben. Während Experimente Verdunstung zeigen wichtig sein [13]. sie zeigen nicht, dass es der einzige Mechanismus hinter der Mpemba Wirkung. Eine Anzahl von Experimentatoren haben argumentiert, dass die Verdampfung allein nicht ausreicht, um ihre Ergebnisse zu erklären, [5,9,12]; Insbesondere gemessen ursprüngliches Experiment durch Mpemba und Osborne die Masse der Verdampfung verloren und finde es weniger wesentlich, dass die Menge von Kell Berechnungen vorhergesagt [5,9]. Und die meisten überzeugend, beobachtete ein Experiment durch Wojciechowski die Mpemba Wirkung in einem geschlossenen Behälter, wo keine Masse Verdunstung verloren.
Gelöster Gasses
Indirekte Unterstützung kann in zwei Experimenten gefunden werden, die die Mpemba Wirkung in normalem Wasser sahen, die gelöste Gase gehalten, konnte sie aber nicht sehen, wenn entgastem Wasser [10,14]. Ein Versuch, die Abhängigkeit der Enthalpie des Einfrierens von der Anfangstemperatur und Gasgehalt des Wassers war ergebnislos [14] zu messen.
Ein Problem bei dieser Erklärung ist, dass viele Experimente vorgekocht sowohl das anfänglich heiß und zunächst kaltes Wasser, genau die Wirkung von gelösten Gasen zu eliminieren, und doch sie sahen noch die Wirkung [5,13]. Zwei etwas unsystematisch Experimente herausgefunden, dass Variation des Gasgehalt des Wassers machte keinen wesentlichen Unterschied zu dem Mpemba Effekt [9,12].
Konvektion
Wie erklärt dies die Wirkung Mpemba? Nun, die zunächst heiße Wasser kühlt schnell und schnell Konvektionsströme entwickeln und so die Temperatur des Wassers wird stark von der Spitze des Wassers nach unten variieren. Auf der anderen Seite wird das anfänglich kalte Wasser eine langsamere Geschwindigkeit der Abkühlung hat, und wird somit langsamer erhebliche Konvektionsströme zu entwickeln. Wenn wir also das zunächst heiße Wasser und zunächst kaltes Wasser bei der gleichen Durchschnittstemperatur vergleichen, so scheint es vernünftig, zu glauben, dass das anfänglich heiße Wasser mehr Konvektionsströme haben wird, und somit eine schnellere Kühlrate hat. Um ein konkretes Beispiel zu betrachten, nehme an, dass die anfänglich heiße Wasser beginnt bei 70 ° C, und die anfänglich kaltem Wasser beginnt bei 30 ° C. Wenn das anfänglich kalte Wasser wird bei einer durchschnittlichen 30 ° C, es ist auch eine gleichmäßige 30 ° C. Wenn jedoch das anfänglich heiße Wasser erreicht durchschnittlich 30 ° C, wobei die Oberfläche des Wassers ist wahrscheinlich viel wärmer als 30 ° C, und es wird somit Wärme schneller als das anfänglich kalte Wasser für die gleiche durchschnittliche Temperatur verlieren. Verstanden? Diese Erklärung ist ziemlich verwirrend, so dass Sie vielleicht zurück und lesen Sie die letzten beiden Absätze wieder gehen wollen, besondere Aufmerksamkeit auf die Differenz zwischen Anfangstemperatur, Durchschnittstemperatur und der Oberflächentemperatur zu bezahlen.
Jedenfalls, wenn das obige Argument richtig ist, dann, wenn wir zeichnen die durchschnittliche Temperatur gegen die Zeit sowohl für das anfänglich heiß und zunächst kaltes Wasser, dann für einige durchschnittlichen Temperaturen werden die anfänglich heiße Kühlwasser schneller sein als das anfänglich kalte Wasser. So ist die Abkühlungskurve des anfänglich heißen Wassers wird einfach nicht die Kühlkurve des anfänglich kalten Wassers reproduzieren, sondern sinkt schneller, wenn sie in dem gleichen Temperaturbereich.
Umgebung
Unterkühlung
Dies kann jedoch auch nicht berücksichtigt werden „die“ einzige Erklärung der Mpemba Wirkung. Zunächst einmal, soweit ich weiß, hat dieses Ergebnis unabhängig nicht bestätigt. Das oben beschriebene Experiment [12] hatte nur eine begrenzte Anzahl von Studien, so fanden die Ergebnisse konnten ein statistischer Dusel gewesen.
Drittens kann diese Erklärung nicht in allen Experimenten arbeitet, weil viele der Experimentatoren nicht an der Zeit zu suchen wählten einen kompletten Block aus Eis zu bilden, aber die Zeit für einen Teil des Wassers erreichen 0 ° C [7.10 , 13] (oder möglicherweise die Zeit für eine dünne Eisschicht auf der Oberseite [17] zu bilden). Während [12] sagt, dass es nur ein „wahrer Mpemba-Effekt“ ist, wenn das heiße Wasser vollständig zuerst gefriert, haben andere Papiere, die Mpemba Wirkung unterschiedlich definiert. Da die genaue Zeit des Unterkühlungs inhärent nicht vorhersagbar ist (siehe beispielsweise [26]), haben viele Experimente entschieden, nicht die Zeit für die Probe Eis werden, um tatsächlich zu messen, aber die Zeit, für die die Eis-Zustand Gleichgewicht Bodens der Probe ist; das heißt, die Zeit, wenn das obere Ende der Probe erreicht 0 ° C [7,10,13]. Das Unterkühlungs Argument gilt nicht für diese Experimente.