Vilket vatten som fryser snabbare, varmt eller kallt, påverkas av många faktorer, men frågan i sig verkar lite konstig. Det antyds, och det är känt från fysiken, att hett vatten fortfarande behöver tid att svalna till temperaturen för jämförbart kallt vatten för att förvandlas till is. Med kallt vatten kan detta skede hoppas över, och följaktligen vinner det med tiden.
Men svaret på frågan om vilket vatten som fryser snabbare - kallt eller varmt - på gatan i frost, vet alla invånare på de nordliga breddgraderna. Vetenskapligt visar det sig faktiskt att kallt vatten i alla fall måste frysa snabbare.
Det gjorde läraren i fysik, som 1963 kontaktades av skolpojken Erasto Mpemba med en begäran om att förklara varför den kalla blandningen av framtidens glass fryser längre än densamma, men varm.
Det här är inte världsfysik, utan någon form av Mpemba-fysik
På den tiden skrattade läraren bara åt detta, men Deniss Osborn, professor i fysik, som en gång gick i samma skola där Erasto studerade, bekräftade experimentellt förekomsten av en sådan effekt, även om det fanns ingen förklaring till detta då. 1969 publicerade en populärvetenskaplig tidskrift en gemensam artikel av de två män som beskrev denna märkliga effekt.
Sedan har förresten frågan om vilket vatten som fryser snabbare – varmt eller kallt, sitt eget namn – effekten, eller paradoxen, Mpemba.
Frågan uppstod för länge sedan
Naturligtvis har ett sådant fenomen ägt rum tidigare, och det nämndes i andra forskares verk. Inte bara en skolpojke var intresserad av den här frågan, utan Francis Bacon, Rene Descartes och till och med Aristoteles funderade på det samtidigt.
Det är bara metoderna för att lösa denna paradox började se ut först i slutet av 1900-talet.
Förutsättningar för att en paradox ska uppstå
Som med glass är det inte bara vanligt vatten som fryser under experimentet. Vissa förhållanden måste finnas för att börja bråka vilket vatten som fryser snabbare - kallt eller varmt. Vad påverkar denna process?
Nu, på 2000-talet, har flera alternativ lagts fram som kan förklaradenna paradox. Vilket vatten som fryser snabbare, varmt eller kallt, kan bero på att hett vatten har en högre förångningshastighet än kallt vatten. Således minskar dess volym, och med en minskning av volymen blir frystiden kortare än om du tar en liknande initial volym kallt vatten.
Frysen har varit upptinad länge
Vilket vatten som fryser snabbare, och varför det gör det, kan påverkas av snöbeklädnaden som kan finnas i frysen i kylen som användes för experimentet. Om du tar två behållare som är identiska i volym, men en av dem kommer att ha varmt vatten och den andra kallt vatten, kommer behållaren med varmt vatten att smälta snön under den, vilket förbättrar kontakten mellan den termiska nivån och kylskåpets vägg. En kallvattenbehållare kan inte göra det. Om det inte finns något sådant foder med snö i kyldelen, bör kallt vatten frysa snabbare.
Överst - botten
Fenomenet att vatten fryser snabbare - varmt eller kallt, förklaras också på följande sätt. Enligt vissa lagar börjar kallt vatten frysa från de övre lagren, när varmt vatten gör det tvärtom - det börjar frysa nerifrån och upp. Det visar sig att kallt vatten, med ett kallt lager ovanpå med is som redan har bildats på vissa ställen, därmed försämrar processerna för konvektion och termisk strålning, och förklarar därigenom vilket vatten som fryser snabbare - kallt eller varmt. Bilder från amatörerexperiment bifogas, och detta är tydligt synligt här.
Värme kommer ut, tenderar uppåt, och där möter den ett mycket kylt lager. Det finns ingen fri väg för värmestrålning, så kylningsprocessen blir svår. Varmvatten har absolut inga sådana barriärer i sin väg. Som fryser snabbare - kallt eller varmt, vilket det troliga resultatet beror på, kan du utöka svaret genom att säga att vilket vatten som helst har vissa ämnen lösta i sig.
Föroreningar i vattnets sammansättning som en faktor som påverkar resultatet
Om du inte fuskar och använder vatten med samma sammansättning, där koncentrationerna av vissa ämnen är identiska, bör kallt vatten frysa snabbare. Men om en situation uppstår när lösta kemiska element endast finns i varmt vatten, medan kallt vatten inte har dem, har varmt vatten möjlighet att frysa tidigare. Detta förklaras av det faktum att lösta ämnen i vatten skapar kristallisationscentra, och med ett litet antal av dessa centra är omvandlingen av vatten till ett fast tillstånd svårt. Även underkylning av vatten är möjlig, i den meningen att det vid minusgrader kommer att vara i flytande tillstånd.
Men alla dessa versioner passade tydligen inte helt forskarna och de fortsatte att arbeta med den här frågan. 2013 sa ett team av forskare i Singapore att de hade löst det urgamla mysteriet.
En grupp kinesiska forskare hävdar att hemligheten bakom denna effekt ligger i mängden energi som lagras mellan vattenmolekyler i dess bindningar, så kallade vätebindningar.
Ledtråd från kinesiska forskare
Följande information kommer att följa, för att förstå vilken du behöver ha viss kunskap i kemi för att ta reda på vilket vatten som fryser snabbare - varmt eller kallt. Som ni vet består en vattenmolekyl av två H (väte) atomer och en O (syre) atom som hålls samman av kovalenta bindningar.
Men väteatomer i en molekyl attraheras också till närliggande molekyler, till deras syrekomponent. Det är dessa bindningar som kallas vätebindningar.
Det är värt att komma ihåg att samtidigt verkar vattenmolekyler avvisande på varandra. Forskare noterade att när vatten värms upp ökar avståndet mellan dess molekyler, och detta underlättas av frånstötande krafter. Det visar sig att vätebindningar, som upptar ett avstånd mellan molekyler i kallt tillstånd, kan sägas vara sträckta, och de har en större tillgång på energi. Det är denna energireserv som frigörs när vattenmolekyler börjar närma sig varandra, det vill säga kylning sker. Det visar sig att en större tillförsel av energi i varmvatten, och dess större utsläpp vid kylning till minusgrader, sker snabbare än i kallt vatten, som har en sådan tillförsel.mindre energi. Så vilket vatten fryser snabbare - kallt eller varmt? Mpemba-paradoxen borde hända utanför och i labbet, och hett vatten borde förvandlas till is snabbare.
Men fortfarande öppet
Det finns bara en teoretisk bekräftelse på denna ledtråd - allt detta är skrivet i vackra formler och verkar rimligt. Men när experimentdata, vilket vatten fryser snabbare - varmt eller kallt, kommer att sättas i praktisk mening och deras resultat kommer att presenteras, då kommer det att vara möjligt att betrakta frågan om Mpemba-paradoxen som stängd.
