Im Jahr 1963 stellte ein tansanischer Schüler namens Erasto Mpemba seinem Lehrer eine dumme Frage: Warum gefrierte das warme Eis in seinem Gefrierschrank schneller als das kalte?

Als Schüler der Magambi High School in Tansania arbeitete Erasto Mpemba praktisch als Koch. Er musste selbstgemachtes Eis herstellen – Milch kochen, Zucker darin auflösen, auf Raumtemperatur abkühlen lassen und es dann zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba kein besonders fleißiger Schüler und verzögerte die Fertigstellung des ersten Teils der Aufgabe. Aus Angst, dass er es bis zum Ende der Unterrichtsstunde nicht schaffen würde, stellte er noch heiße Milch in den Kühlschrank. Zu seiner Überraschung gefror sie noch früher als die Milch seiner Kameraden, die nach der vorgegebenen Technologie zubereitet wurde.

Er wandte sich zur Klärung an den Physiklehrer, lachte den Schüler jedoch nur aus und sagte: „Das ist keine universelle Physik, sondern Mpemba-Physik.“ Danach experimentierte Mpemba nicht nur mit Milch, sondern auch mit normalem Wasser.

Jedenfalls fragte er bereits als Schüler der Mkwava Secondary School Professor Dennis Osborne vom University College in Dar Es Salaam (auf Einladung des Schulleiters, den Schülern einen Vortrag über Physik zu halten) konkret zum Thema Wasser: „If you take zwei identische Behälter mit gleichen Wassermengen, so dass das Wasser in einem eine Temperatur von 35 °C und im anderen eine Temperatur von 100 °C hat, und stellen Sie sie in den Gefrierschrank, dann gefriert das Wasser im zweiten schneller. Warum?" Osborne interessierte sich für dieses Thema und bald darauf, im Jahr 1969, veröffentlichten er und Mpemba die Ergebnisse ihrer Experimente in der Zeitschrift Physics Education. Seitdem wird der von ihnen entdeckte Effekt Mpemba-Effekt genannt.

Möchten Sie wissen, warum das passiert? Erst vor wenigen Jahren gelang es Wissenschaftlern, dieses Phänomen zu erklären...

Der Mpemba-Effekt (Mpemba-Paradoxon) ist ein Paradoxon, das besagt, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, obwohl es während des Gefriervorgangs die Temperatur von kaltem Wasser überschreiten muss. Dieses Paradoxon ist eine experimentelle Tatsache, die den üblichen Vorstellungen widerspricht, wonach ein stärker erhitzter Körper unter gleichen Bedingungen mehr Zeit braucht, um auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, als ein weniger erhitzter Körper, um auf die gleiche Temperatur abzukühlen.

Dieses Phänomen wurde seinerzeit von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt. Bisher weiß niemand genau, wie dieser seltsame Effekt zu erklären ist. Wissenschaftler haben keine einzige Version, obwohl es viele gibt. Es geht um den Unterschied in den Eigenschaften von heißem und kaltem Wasser, aber es ist noch nicht klar, welche Eigenschaften in diesem Fall eine Rolle spielen: der Unterschied in der Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder die Wirkung von verflüssigten Gasen auf Wasser unterschiedliche Temperaturen. Das Paradoxe des Mpemba-Effekts besteht darin, dass die Zeit, in der ein Körper auf die Umgebungstemperatur abkühlt, proportional zum Temperaturunterschied zwischen diesem Körper und der Umgebung sein sollte. Dieses Gesetz wurde von Newton aufgestellt und seitdem vielfach in der Praxis bestätigt. Dabei kühlt Wasser mit einer Temperatur von 100 °C schneller auf eine Temperatur von 0 °C ab als die gleiche Menge Wasser mit einer Temperatur von 35 °C.

Seitdem wurden verschiedene Versionen geäußert, von denen eine so lautete: Ein Teil des heißen Wassers verdunstet zunächst einfach, und wenn dann weniger davon übrig bleibt, gefriert das Wasser schneller. Diese Version wurde aufgrund ihrer Einfachheit zur beliebtesten, stellte die Wissenschaftler jedoch nicht vollständig zufrieden.

Jetzt sagt ein Forscherteam der Nanyang Technological University in Singapur unter der Leitung des Chemikers Xi Zhang, dass sie das uralte Rätsel gelöst haben, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Wie chinesische Experten herausgefunden haben, liegt das Geheimnis in der Menge an Energie, die in Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen gespeichert ist.

Wie Sie wissen, bestehen Wassermoleküle aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, was auf Partikelebene wie ein Elektronenaustausch aussieht. Eine weitere bekannte Tatsache ist, dass Wasserstoffatome von Sauerstoffatomen benachbarter Moleküle angezogen werden – es bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen.

Gleichzeitig stoßen sich Wassermoleküle im Allgemeinen gegenseitig ab. Wissenschaftler aus Singapur stellten fest: Je wärmer das Wasser, desto größer ist der Abstand zwischen den Molekülen der Flüssigkeit, da die Abstoßungskräfte zunehmen. Dadurch werden Wasserstoffbrückenbindungen gedehnt und speichern somit mehr Energie. Diese Energie wird beim Abkühlen des Wassers freigesetzt – die Moleküle rücken einander näher. Und die Freisetzung von Energie bedeutet bekanntlich Abkühlung.

Hier sind die Annahmen der Wissenschaftler:

Verdunstung

Heißes Wasser verdunstet schneller aus dem Behälter, wodurch sich sein Volumen verringert und eine kleinere Wassermenge bei gleicher Temperatur schneller gefriert. Auf 100 °C erhitztes Wasser verliert beim Abkühlen auf 0 °C 16 % seiner Masse. Der Verdunstungseffekt ist ein doppelter Effekt. Erstens verringert sich die zur Kühlung benötigte Wassermasse. Und zweitens sinkt seine Temperatur durch die Verdunstung.

Temperaturunterschied

Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturunterschied zwischen heißem Wasser und kalter Luft größer ist, ist der Wärmeaustausch in diesem Fall intensiver und das heiße Wasser kühlt schneller ab.

Unterkühlung
Wenn Wasser unter 0 °C abkühlt, gefriert es nicht immer. Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer Unterkühlung kommen und bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt weiterhin flüssig bleiben. In manchen Fällen kann Wasser auch bei einer Temperatur von -20 °C flüssig bleiben. Der Grund für diesen Effekt liegt darin, dass für die Bildung der ersten Eiskristalle Kristallbildungszentren erforderlich sind. Wenn sie in flüssigem Wasser nicht vorhanden sind, wird die Unterkühlung fortgesetzt, bis die Temperatur so weit sinkt, dass sich spontan Kristalle zu bilden beginnen. Wenn sie sich in der unterkühlten Flüssigkeit zu bilden beginnen, wachsen sie schneller und bilden Eisbrei, der zu Eis gefriert. Heißes Wasser ist am anfälligsten für Unterkühlung, da durch Erhitzen gelöste Gase und Blasen entfernt werden, die wiederum als Zentren für die Bildung von Eiskristallen dienen können. Warum gefriert heißes Wasser bei Unterkühlung schneller? Bei kaltem Wasser, das nicht unterkühlt ist, passiert Folgendes: Auf seiner Oberfläche bildet sich eine dünne Eisschicht, die als Isolator zwischen dem Wasser und der kalten Luft wirkt und so eine weitere Verdunstung verhindert. Die Geschwindigkeit der Eiskristallbildung ist in diesem Fall geringer. Bei heißem Wasser, das einer Unterkühlung ausgesetzt ist, weist das unterkühlte Wasser keine schützende Eisschicht an der Oberfläche auf. Daher verliert es durch die offene Oberseite viel schneller Wärme. Wenn der Unterkühlungsprozess endet und das Wasser gefriert, geht viel mehr Wärme verloren und es bildet sich daher mehr Eis. Viele Forscher dieses Effekts halten Unterkühlung für den Hauptfaktor im Fall des Mpemba-Effekts.
Konvektion

Kaltes Wasser beginnt von oben zu gefrieren, wodurch sich die Prozesse der Wärmestrahlung und Konvektion und damit der Wärmeverlust verschlechtern, während heißes Wasser von unten zu gefrieren beginnt. Dieser Effekt wird durch eine Anomalie der Wasserdichte erklärt. Wasser hat seine maximale Dichte bei 4°C. Wenn Sie Wasser auf 4 °C abkühlen und es in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur stellen, gefriert die Wasseroberfläche schneller. Da dieses Wasser eine geringere Dichte als Wasser bei 4 °C hat, bleibt es an der Oberfläche und bildet eine dünne kalte Schicht. Unter diesen Bedingungen bildet sich innerhalb kurzer Zeit eine dünne Eisschicht auf der Wasseroberfläche, die jedoch als Isolator fungiert und die unteren Wasserschichten schützt, die eine Temperatur von 4 °C haben . Daher wird der weitere Abkühlungsprozess langsamer sein. Bei Warmwasser ist die Situation völlig anders. Die Oberflächenwasserschicht kühlt aufgrund der Verdunstung und eines größeren Temperaturunterschieds schneller ab. Außerdem sind Kaltwasserschichten dichter als Warmwasserschichten, sodass die Kaltwasserschicht nach unten sinkt und die Warmwasserschicht an die Oberfläche bringt. Diese Wasserzirkulation sorgt für einen schnellen Temperaturabfall. Aber warum erreicht dieser Prozess keinen Gleichgewichtspunkt? Um den Mpemba-Effekt aus Sicht der Konvektion zu erklären, müsste man annehmen, dass die kalten und heißen Wasserschichten getrennt werden und der Konvektionsprozess selbst weitergeht, nachdem die durchschnittliche Wassertemperatur unter 4 °C sinkt. Es gibt jedoch keine experimentellen Beweise, die diese Hypothese stützen, dass kalte und heiße Wasserschichten durch den Prozess der Konvektion getrennt werden.

In Wasser gelöste Gase

Wasser enthält immer darin gelöste Gase – Sauerstoff und Kohlendioxid. Diese Gase haben die Fähigkeit, den Gefrierpunkt von Wasser zu senken. Beim Erhitzen von Wasser werden diese Gase aus dem Wasser freigesetzt, da ihre Löslichkeit in Wasser bei hohen Temperaturen geringer ist. Wenn heißes Wasser abkühlt, enthält es daher immer weniger gelöste Gase als in ungeheiztem Kaltwasser. Daher ist der Gefrierpunkt von erhitztem Wasser höher und es gefriert schneller. Dieser Faktor wird manchmal als Hauptfaktor für die Erklärung des Mpemba-Effekts angesehen, obwohl es keine experimentellen Daten gibt, die diese Tatsache bestätigen.

Wärmeleitfähigkeit

Dieser Mechanismus kann eine wichtige Rolle spielen, wenn Wasser in kleinen Behältern in den Kühlraum des Gefrierfachs gegeben wird. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass ein Behälter mit heißem Wasser das Eis im Gefrierschrank darunter schmilzt und dadurch den Wärmekontakt mit der Gefrierschrankwand und die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Dadurch wird einem Warmwasserbehälter die Wärme schneller entzogen als einem Kaltwasserbehälter. Ein Behälter mit kaltem Wasser wiederum schmilzt den Schnee darunter nicht. Alle diese (und andere) Bedingungen wurden in vielen Experimenten untersucht, aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, welche davon eine 100-prozentige Reproduktion des Mpemba-Effekts gewährleisten, wurde nie erhalten. Beispielsweise untersuchte der deutsche Physiker David Auerbach 1995 die Auswirkung von unterkühltem Wasser auf diesen Effekt. Er entdeckte, dass heißes Wasser, wenn es einen unterkühlten Zustand erreicht, bei einer höheren Temperatur gefriert als kaltes Wasser und daher schneller als dieses. Kaltes Wasser erreicht jedoch schneller einen unterkühlten Zustand als heißes Wasser und gleicht so die vorherige Verzögerung aus. Darüber hinaus widersprachen Auerbachs Ergebnisse früheren Daten, wonach heißes Wasser aufgrund weniger Kristallisationszentren eine stärkere Unterkühlung erreichen könne. Beim Erhitzen von Wasser werden darin gelöste Gase entfernt und beim Kochen fallen einige darin gelöste Salze aus. Vorerst lässt sich nur eines sagen: Die Reproduktion dieses Effekts hängt maßgeblich von den Bedingungen ab, unter denen das Experiment durchgeführt wird. Gerade weil es nicht immer reproduziert wird.

Aber wie sie sagen, der wahrscheinlichste Grund.

Wie die Chemiker in ihrem Artikel schreiben, der auf der Preprint-Website arXiv.org zu finden ist, sind Wasserstoffbrückenbindungen in heißem Wasser stärker als in kaltem Wasser. Es zeigt sich also, dass in den Wasserstoffbrückenbindungen von heißem Wasser mehr Energie gespeichert ist, was bedeutet, dass beim Abkühlen auf Minustemperaturen mehr davon freigesetzt wird. Aus diesem Grund erfolgt die Aushärtung schneller.

Bisher haben Wissenschaftler dieses Rätsel nur theoretisch gelöst. Wenn sie überzeugende Beweise für ihre Version vorlegen, kann die Frage, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, als abgeschlossen betrachtet werden.

Es scheint offensichtlich, dass kaltes Wasser schneller gefriert als heißes Wasser, da heißes Wasser unter gleichen Bedingungen länger braucht, um abzukühlen und anschließend zu gefrieren. Jahrtausendelange Beobachtungen sowie moderne Experimente haben jedoch gezeigt, dass auch das Gegenteil der Fall ist: Unter bestimmten Bedingungen gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser. Der Sciencium Science Channel erklärt dieses Phänomen:

Wie im Video oben erklärt, ist das Phänomen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, als Mpemba-Effekt bekannt, benannt nach Erasto Mpemba, einem tansanischen Schüler, der 1963 im Rahmen eines Schulprojekts Eis herstellte. Die Schüler mussten eine Mischung aus Sahne und Zucker zum Kochen bringen, abkühlen lassen und dann in den Gefrierschrank stellen.

Stattdessen gab Erasto seine Mischung sofort heiß hinein, ohne abzuwarten, bis sie abgekühlt war. Dadurch war seine Mischung nach 1,5 Stunden bereits gefroren, die Mischungen anderer Schüler jedoch nicht. Mpemba interessierte sich für das Phänomen und begann, das Thema gemeinsam mit dem Physikprofessor Denis Osborne zu untersuchen. 1969 veröffentlichten sie einen Artikel, in dem sie feststellten, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Dies war die erste peer-reviewte Studie dieser Art, aber das Phänomen selbst wird in den Schriften des Aristoteles aus dem 4. Jahrhundert v. Chr. erwähnt. e. Auch Francis Bacon und Descartes stellten dieses Phänomen in ihren Studien fest.

Das Video listet mehrere Möglichkeiten zur Erklärung des Geschehens auf:

1. Frost ist ein Dielektrikum, daher speichert frostiges Kaltwasser die Wärme besser als ein warmes Glas, das bei Kontakt Eis zum Schmelzen bringt
2. Kaltes Wasser enthält mehr gelöste Gase als warmes Wasser, und Forscher spekulieren, dass dies eine Rolle bei der Abkühlungsgeschwindigkeit spielen könnte, obwohl noch nicht klar ist, wie
3. Heißes Wasser verliert durch Verdunstung mehr Wassermoleküle, so dass weniger davon zum Gefrieren übrig bleiben
4. Warmes Wasser kann aufgrund erhöhter Konvektionsströme schneller abkühlen. Diese Strömungen entstehen, weil das Wasser im Glas zunächst an der Oberfläche und an den Seiten abkühlt, wodurch kaltes Wasser absinkt und heißes Wasser aufsteigt. In einem warmen Glas sind Konvektionsströme aktiver, was die Abkühlgeschwindigkeit beeinflussen kann.

Im Jahr 2016 wurde jedoch eine sorgfältig kontrollierte Studie durchgeführt, die das Gegenteil zeigte: Heißes Wasser gefror viel langsamer als kaltes Wasser. Gleichzeitig stellten Wissenschaftler fest, dass eine Änderung der Position des Thermoelements – eines Geräts, das Temperaturänderungen bestimmt – um nur einen Zentimeter zum Auftreten des Mpemba-Effekts führt. Eine Untersuchung anderer ähnlicher Studien zeigte, dass in allen Fällen, in denen dieser Effekt beobachtet wurde, eine Verschiebung des Thermoelements innerhalb eines Zentimeters auftrat.

Viele Forscher haben und präsentieren ihre eigenen Versionen darüber, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Es scheint ein Paradoxon zu sein, denn um zu gefrieren, muss heißes Wasser zunächst abkühlen. Die Tatsache bleibt jedoch eine Tatsache, und Wissenschaftler erklären sie auf unterschiedliche Weise.

Hauptversionen

Derzeit gibt es mehrere Versionen, die diesen Sachverhalt erklären:

1. Da heißes Wasser schneller verdunstet, nimmt sein Volumen ab. Und das Gefrieren einer kleineren Wassermenge bei gleicher Temperatur erfolgt schneller.
2. Das Gefrierfach des Kühlschranks verfügt über eine Schneeschutzfolie. Ein Behälter mit heißem Wasser schmilzt den Schnee darunter. Dadurch wird der thermische Kontakt zum Gefrierschrank verbessert.
3. Das Gefrieren von kaltem Wasser beginnt im Gegensatz zu heißem Wasser oben. Gleichzeitig verschlechtern sich Konvektion und Wärmestrahlung und damit der Wärmeverlust.
4. Kaltes Wasser enthält Kristallisationszentren – darin gelöste Stoffe. Wenn ihr Wassergehalt gering ist, ist eine Vereisung schwierig, gleichzeitig ist jedoch eine Unterkühlung möglich – wenn es bei Minustemperaturen einen flüssigen Zustand hat.

Obwohl wir fairerweise sagen können, dass dieser Effekt nicht immer beobachtet wird. Sehr oft gefriert kaltes Wasser schneller als heißes Wasser.

Bei welcher Temperatur gefriert Wasser

Warum gefriert Wasser überhaupt? Es enthält eine bestimmte Menge an mineralischen oder organischen Partikeln. Dies können beispielsweise sehr kleine Sand-, Staub- oder Tonpartikel sein. Wenn die Lufttemperatur sinkt, bilden diese Partikel die Zentren, um die sich Eiskristalle bilden.

Die Rolle von Kristallisationskeimen können auch Luftblasen und Risse im Wasserbehälter spielen. Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Wasser in Eis wird maßgeblich von der Anzahl solcher Zentren beeinflusst – wenn es viele davon gibt, gefriert die Flüssigkeit schneller. Unter normalen Bedingungen und normalem Atmosphärendruck geht Wasser bei einer Temperatur von 0 Grad von einer Flüssigkeit in einen festen Zustand über.

Die Essenz des Mpemba-Effekts

Der Mpemba-Effekt ist ein Paradoxon, dessen Kern darin besteht, dass heißes Wasser unter bestimmten Umständen schneller gefriert als kaltes Wasser. Dieses Phänomen wurde von Aristoteles und Descartes bemerkt. Allerdings stellte der tansanische Schüler Erasto Mpemba erst 1963 fest, dass heißes Eis schneller gefriert als kaltes Eis. Zu diesem Schluss kam er, als er einen Kochauftrag erledigte.

Er musste Zucker in gekochter Milch auflösen und ihn nach dem Abkühlen zum Einfrieren in den Kühlschrank stellen. Anscheinend war Mpemba nicht besonders fleißig und begann erst spät mit der Fertigstellung des ersten Teils der Aufgabe. Deshalb wartete er nicht, bis die Milch abgekühlt war, sondern stellte sie heiß in den Kühlschrank. Er war sehr überrascht, als es noch schneller einfror als das seiner Klassenkameraden, die die Arbeit gemäß der vorgegebenen Technologie erledigten.

Diese Tatsache interessierte den jungen Mann sehr und er begann Experimente mit klarem Wasser. Im Jahr 1969 veröffentlichte die Zeitschrift Physics Education die Forschungsergebnisse von Mpemba und Professor Dennis Osborne von der Universität Dar Es Salaam. Der von ihnen beschriebene Effekt erhielt den Namen Mpemba. Allerdings gibt es bis heute keine eindeutige Erklärung für das Phänomen. Alle Wissenschaftler sind sich einig, dass dabei die Unterschiede in den Eigenschaften von gekühltem und heißem Wasser die Hauptrolle spielen, aber was genau ist, ist unbekannt.

Singapur-Version

Auch Physiker einer der Universitäten Singapurs interessierten sich für die Frage, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt? Ein Forscherteam um Xi Zhang erklärte dieses Paradoxon genau mit den Eigenschaften von Wasser. Jeder kennt die Zusammensetzung von Wasser aus der Schule – ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome. Sauerstoff zieht bis zu einem gewissen Grad Elektronen vom Wasserstoff weg, sodass das Molekül eine Art „Magnet“ darstellt.

Dadurch werden bestimmte Moleküle im Wasser leicht voneinander angezogen und durch eine Wasserstoffbindung verbunden. Seine Stärke ist um ein Vielfaches geringer als die einer kovalenten Bindung. Singapurische Forscher glauben, dass die Erklärung für Mpembas Paradoxon genau in Wasserstoffbrückenbindungen liegt. Wenn Wassermoleküle sehr eng beieinander angeordnet sind, kann eine so starke Wechselwirkung zwischen den Molekülen die kovalente Bindung in der Mitte des Moleküls selbst verformen.

Doch wenn Wasser erhitzt wird, entfernen sich die gebundenen Moleküle leicht voneinander. Dadurch kommt es in der Mitte der Moleküle zu einer Entspannung kovalenter Bindungen mit Freisetzung überschüssiger Energie und einem Übergang zu einem niedrigeren Energieniveau. Dies führt dazu, dass heißes Wasser schnell abzukühlen beginnt. Das zeigen zumindest theoretische Berechnungen singapurischer Wissenschaftler.

Wasser sofort gefrieren – 5 unglaubliche Tricks: Video

Wasser ist eine der erstaunlichsten Flüssigkeiten der Welt, die ungewöhnliche Eigenschaften besitzt. Beispielsweise hat Eis, ein fester flüssiger Zustand, ein geringeres spezifisches Gewicht als Wasser selbst, was die Entstehung und Entwicklung von Leben auf der Erde weitgehend ermöglichte. Darüber hinaus gibt es in der pseudowissenschaftlichen und wissenschaftlichen Welt Diskussionen darüber, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt. Wer nachweisen kann, dass heiße Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert und seine Lösung wissenschaftlich untermauert, erhält von der britischen Royal Society of Chemists eine Belohnung von 1.000 £.

Hintergrund

Dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser, wurde bereits im Mittelalter beobachtet. Francis Bacon und René Descartes haben sich viel Mühe gegeben, dieses Phänomen zu erklären. Aus Sicht der klassischen Wärmetechnik ist dieses Paradox jedoch nicht erklärbar und man hat versucht, es schüchtern zu vertuschen. Den Anstoß für die Fortsetzung der Debatte gab eine etwas merkwürdige Geschichte, die dem tansanischen Schüler Erasto Mpemba im Jahr 1963 widerfuhr. Eines Tages, während einer Unterrichtsstunde zum Zubereiten von Desserts an einer Kochschule, hatte der Junge, abgelenkt von anderen Dingen, keine Zeit, die Eismischung rechtzeitig abzukühlen und stellte eine heiße Zucker-Milch-Lösung in den Gefrierschrank. Zu seiner Überraschung kühlte das Produkt etwas schneller ab als das seiner Kommilitonen, die das Temperaturregime bei der Eiszubereitung beobachteten.

Um die Essenz des Phänomens zu verstehen, wandte sich der Junge an einen Physiklehrer, der, ohne auf Details einzugehen, seine kulinarischen Experimente lächerlich machte. Erasto zeichnete sich jedoch durch beneidenswerte Hartnäckigkeit aus und setzte seine Experimente nicht mit Milch, sondern mit Wasser fort. Er kam zu der Überzeugung, dass heißes Wasser in manchen Fällen schneller gefriert als kaltes Wasser.

Nach seinem Eintritt in die Universität von Daressalam besuchte Erasto Mpembe einen Vortrag von Professor Denis G. Osborne. Nach Abschluss stellte der Student den Wissenschaftler vor ein Problem mit der Geschwindigkeit des Gefrierens von Wasser in Abhängigkeit von seiner Temperatur. D.G. Osborne machte sich über die bloße Fragestellung lustig und erklärte mit Gelassenheit, dass jeder arme Student wisse, dass kaltes Wasser schneller gefriert. Allerdings machte sich die natürliche Hartnäckigkeit des jungen Mannes bemerkbar. Er schloss eine Wette mit dem Professor ab und schlug vor, hier im Labor einen experimentellen Test durchzuführen. Erasto stellte zwei Behälter mit Wasser in den Gefrierschrank, einen bei 95 °F (35 °C) und den anderen bei 212 °F (100 °C). Stellen Sie sich die Überraschung des Professors und der umstehenden „Fans“ vor, als das Wasser im zweiten Behälter schneller gefror. Seitdem wird dieses Phänomen als „Mpemba-Paradoxon“ bezeichnet.

Allerdings gibt es bisher keine kohärente theoretische Hypothese, die das „Mpemba-Paradoxon“ erklärt. Es ist nicht klar, welche äußeren Faktoren, die chemische Zusammensetzung des Wassers, das Vorhandensein darin gelöster Gase und Mineralien, die Gefriergeschwindigkeit von Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen beeinflussen. Das Paradoxe am „Mpemba-Effekt“ besteht darin, dass er einem der von I. Newton entdeckten Gesetze widerspricht, wonach die Abkühlzeit von Wasser direkt proportional zum Temperaturunterschied zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung ist. Und wenn alle anderen Flüssigkeiten diesem Gesetz vollständig gehorchen, dann ist Wasser in manchen Fällen eine Ausnahme.

Warum gefriert heißes Wasser schneller?T

Es gibt verschiedene Versionen, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Die wichtigsten sind:

• heißes Wasser verdunstet schneller, während sein Volumen abnimmt und ein kleineres Flüssigkeitsvolumen schneller abkühlt – beim Kühlen von Wasser von + 100 °C auf 0 °C erreichen die Volumenverluste bei Atmosphärendruck 15 %;
• Je größer der Temperaturunterschied, desto höher ist die Intensität des Wärmeaustauschs zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung, sodass der Wärmeverlust von kochendem Wasser schneller erfolgt.
• Wenn heißes Wasser abkühlt, bildet sich auf seiner Oberfläche eine Eiskruste, die verhindert, dass die Flüssigkeit vollständig gefriert und verdunstet.
• Bei hohen Wassertemperaturen kommt es zu einer Konvektionsmischung, die die Gefrierzeit verkürzt.
• In Wasser gelöste Gase senken den Gefrierpunkt und entziehen Energie für die Kristallbildung – in heißem Wasser sind keine gelösten Gase enthalten.

Alle diese Bedingungen wurden wiederholt experimentell getestet. Insbesondere der deutsche Wissenschaftler David Auerbach entdeckte, dass die Kristallisationstemperatur von heißem Wasser etwas höher ist als die von kaltem Wasser, was dazu führt, dass ersteres schneller gefriert. Später wurden seine Experimente jedoch kritisiert und viele Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass der „Mpemba-Effekt“, der bestimmt, welches Wasser schneller gefriert – heiß oder kalt – nur unter bestimmten Bedingungen reproduziert werden kann, nach denen bisher niemand gesucht und spezifiziert hat.

Wasser- Aus chemischer Sicht eine eher einfache Substanz, die jedoch eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften aufweist, die Wissenschaftler immer wieder in Erstaunen versetzen. Im Folgenden finden Sie einige Fakten, die nur wenige Menschen kennen.

1. Welches Wasser gefriert schneller – kalt oder heiß?

Nehmen wir zwei Behälter mit Wasser: Gießen Sie heißes Wasser in den einen und kaltes Wasser in den anderen und stellen Sie sie in den Gefrierschrank. Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser, obwohl kaltes Wasser der Logik nach zuerst zu Eis hätte werden sollen: Schließlich muss heißes Wasser zunächst auf die kalte Temperatur abkühlen und dann zu Eis werden, während dies bei kaltem Wasser nicht der Fall ist muss abkühlen. Warum passiert das?

Im Jahr 1963 bemerkte ein tansanischer Student namens Erasto B. Mpemba beim Einfrieren einer Eismischung, dass die heiße Mischung im Gefrierschrank schneller fest wurde als die kalte. Als der junge Mann seinem Physiklehrer seine Entdeckung erzählte, lachte er ihn nur aus. Glücklicherweise blieb der Schüler hartnäckig und überredete den Lehrer, ein Experiment durchzuführen, das seine Entdeckung bestätigte: Unter bestimmten Bedingungen gefriert heißes Wasser tatsächlich schneller als kaltes Wasser.

Dieses Phänomen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, wird nun „ Mpemba-Effekt" Zwar wurde diese einzigartige Eigenschaft des Wassers schon lange vor ihm von Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes bemerkt.

Wissenschaftler verstehen die Natur dieses Phänomens immer noch nicht vollständig und erklären es entweder durch den Unterschied in Unterkühlung, Verdunstung, Eisbildung, Konvektion oder durch die Wirkung von Flüssiggasen auf heißes und kaltes Wasser.

2. Es kann sofort einfrieren

Das weiß jeder Wasser Beim Abkühlen auf 0°C wird es immer zu Eis... mit einigen Ausnahmen! Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Unterkühlung. Hierbei handelt es sich um die Eigenschaft von sehr reinem Wasser, auch bei Abkühlung unter den Gefrierpunkt flüssig zu bleiben. Dieses Phänomen wird dadurch ermöglicht, dass die Umgebung keine Kristallisationszentren oder Kristallisationskeime enthält, die die Bildung von Eiskristallen auslösen könnten. Und so bleibt Wasser auch bei einer Abkühlung auf unter null Grad Celsius flüssig.

Kristallisationsprozess kann beispielsweise durch Gasblasen, Verunreinigungen (Kontaminationen) oder eine unebene Oberfläche des Behälters verursacht werden. Ohne sie bleibt Wasser in flüssigem Zustand. Wenn der Kristallisationsprozess beginnt, können Sie beobachten, wie sich das unterkühlte Wasser sofort in Eis verwandelt.

Beachten Sie, dass „überhitztes“ Wasser auch dann flüssig bleibt, wenn es über seinen Siedepunkt erhitzt wird.

3. 19 Wasserzustände

Nennen Sie ohne zu zögern, wie viele verschiedene Zustände Wasser hat? Wenn Sie auf drei geantwortet haben: fest, flüssig, gasförmig, dann haben Sie sich geirrt. Wissenschaftler unterscheiden mindestens 5 verschiedene Wasserzustände in flüssiger Form und 14 Zustände in gefrorener Form.

Erinnern Sie sich an das Gespräch über supergekühltes Wasser? Egal, was Sie tun, bei -38 °C wird selbst reinstes, supergekühltes Wasser plötzlich zu Eis. Was passiert, wenn die Temperatur weiter sinkt? Bei -120 °C passiert mit Wasser etwas Seltsames: Es wird superviskos oder zähflüssig, wie Melasse, und bei Temperaturen unter -135 °C verwandelt es sich in „glasartiges“ oder „glasartiges“ Wasser – eine feste Substanz ohne kristalline Struktur .

4. Wasser überrascht Physiker

Auf molekularer Ebene ist Wasser noch überraschender. Im Jahr 1995 brachte ein von Wissenschaftlern durchgeführtes Neutronenstreuexperiment ein unerwartetes Ergebnis: Physiker entdeckten, dass auf Wassermoleküle gerichtete Neutronen 25 % weniger Wasserstoffprotonen „sehen“ als erwartet.

Es stellte sich heraus, dass bei einer Geschwindigkeit von einer Attosekunde (10 -18 Sekunden) ein ungewöhnlicher Quanteneffekt stattfindet und stattdessen die chemische Formel von Wasser entsteht H2O, wird zu H1,5O!

5. Wassergedächtnis

Alternative zur offiziellen Medizin Homöopathie besagt, dass eine verdünnte Lösung eines Arzneimittels eine heilende Wirkung auf den Körper haben kann, selbst wenn der Verdünnungsfaktor so groß ist, dass außer Wassermolekülen nichts in der Lösung übrig bleibt. Befürworter der Homöopathie erklären dieses Paradoxon mit einem Konzept namens „ Wassergedächtnis„, wonach Wasser auf molekularer Ebene ein „Gedächtnis“ an die einmal darin gelöste Substanz besitzt und die Eigenschaften der Lösung der ursprünglichen Konzentration beibehält, auch wenn kein einziges Molekül des Inhaltsstoffs darin verbleibt.

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professorin Madeleine Ennis von der Queen's University of Belfast, die die Prinzipien der Homöopathie kritisiert hatte, führte 2002 ein Experiment durch, um das Konzept ein für alle Mal zu widerlegen. Das Ergebnis war das Gegenteil. Danach erklärten die Wissenschaftler, dass sie in der Lage seien, die Realität des Effekts zu beweisen. Wassergedächtnis" Experimente, die unter der Aufsicht unabhängiger Experten durchgeführt wurden, brachten jedoch keine Ergebnisse. Streitigkeiten über die Existenz des Phänomens“ Wassergedächtnis"weitermachen.

Wasser hat viele andere ungewöhnliche Eigenschaften, über die wir in diesem Artikel nicht gesprochen haben. Beispielsweise ändert sich die Dichte von Wasser je nach Temperatur (die Dichte von Eis ist geringer als die Dichte von Wasser); Wasser hat eine ziemlich hohe Oberflächenspannung; Im flüssigen Zustand ist Wasser ein komplexes und sich dynamisch veränderndes Netzwerk von Wasserclustern, und es ist das Verhalten der Cluster, das die Struktur des Wassers usw. beeinflusst.

Über diese und viele andere unerwartete Funktionen Wasser nachzulesen im Artikel „ Anomale Eigenschaften von Wasser“, verfasst von Martin Chaplin, Professor an der University of London.