¿Qué agua se congela más rápido: la fría o la caliente? El efecto Mpemba o por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría

efecto mpemba(Paradoja de Mpemba): una paradoja que afirma que el agua caliente, en determinadas condiciones, se congela más rápido que el agua fría, aunque debe superar la temperatura del agua fría en el proceso de congelación. Esta paradoja es un hecho experimental que contradice las ideas habituales según las cuales, en las mismas condiciones, un cuerpo más calentado tarda más en enfriarse a una determinada temperatura que un cuerpo menos calentado en enfriarse a la misma temperatura.

Este fenómeno fue notado en un momento por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes, pero no fue hasta 1963 que el escolar tanzano Erasto Mpemba descubrió que una mezcla de helado caliente se congela más rápido que una fría.

Como estudiante en la escuela secundaria Magambi en Tanzania, Erasto Mpemba realizó trabajos prácticos como cocinero. Necesitaba hacer helado casero: hervir la leche, disolver el azúcar, enfriarla a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. Aparentemente, Mpemba no era un estudiante particularmente diligente y retrasó la finalización de la primera parte de la tarea. Temiendo no poder llegar al final de la lección, puso leche aún caliente en el refrigerador. Para su sorpresa, se congeló incluso antes que la leche de sus compañeros, preparada según la tecnología dada.

Después de esto, Mpemba experimentó no sólo con leche, sino también con agua corriente. En cualquier caso, ya siendo estudiante en la escuela secundaria de Mkwava, preguntó al profesor Dennis Osborne del University College de Dar Es Salaam (invitado por el director de la escuela a dar una conferencia sobre física a los estudiantes) específicamente sobre el agua: “Si tomas dos recipientes idénticos con volúmenes iguales de agua para que en uno de ellos el agua tenga una temperatura de 35°C, y en el otro - 100°C, y póngalos en el congelador, luego en el segundo el agua se congelará más rápido. ¿Por qué? Osborne se interesó por este tema y pronto, en 1969, él y Mpemba publicaron los resultados de sus experimentos en la revista Physics Education. Desde entonces, el efecto que descubrieron se ha denominado efecto mpemba.

Hasta ahora nadie sabe exactamente cómo explicar este extraño efecto. Los científicos no tienen una única versión, aunque hay muchas. Se trata de la diferencia en las propiedades del agua fría y caliente, pero aún no está claro qué propiedades juegan un papel en este caso: la diferencia en el sobreenfriamiento, la evaporación, la formación de hielo, la convección o el efecto de los gases licuados en el agua en diferentes temperaturas.

La paradoja del efecto Mpemba es que el tiempo durante el cual un cuerpo se enfría hasta la temperatura ambiente debe ser proporcional a la diferencia de temperatura entre este cuerpo y el medio ambiente. Esta ley fue establecida por Newton y desde entonces ha sido confirmada muchas veces en la práctica. En este efecto, el agua con una temperatura de 100°C se enfría a una temperatura de 0°C más rápido que la misma cantidad de agua con una temperatura de 35°C.

Sin embargo, esto todavía no implica una paradoja, ya que el efecto Mpemba puede explicarse en el marco de la física conocida. Aquí hay algunas explicaciones para el efecto Mpemba:

Evaporación

El agua caliente se evapora más rápido del recipiente, lo que reduce su volumen, y un volumen menor de agua a la misma temperatura se congela más rápido. El agua calentada a 100 C pierde el 16% de su masa cuando se enfría a 0 C.

El efecto de evaporación es un efecto doble. En primer lugar, disminuye la masa de agua necesaria para la refrigeración. Y en segundo lugar, la temperatura disminuye debido a que disminuye el calor de evaporación de la transición de la fase de agua a la fase de vapor.

diferencia de temperatura

Debido a que la diferencia de temperatura entre el agua caliente y el aire frío es mayor, el intercambio de calor en este caso es más intenso y el agua caliente se enfría más rápido.

Hipotermia

Cuando el agua se enfría por debajo de 0 C, no siempre se congela. En algunas condiciones, puede sufrir un sobreenfriamiento y permanecer líquido a temperaturas bajo cero. En algunos casos, el agua puede permanecer líquida incluso a una temperatura de –20 C.

La razón de este efecto es que para que comiencen a formarse los primeros cristales de hielo, se necesitan centros de formación de cristales. Si no están presentes en el agua líquida, el sobreenfriamiento continuará hasta que la temperatura baje lo suficiente como para que se formen cristales espontáneamente. Cuando comiencen a formarse en el líquido sobreenfriado, comenzarán a crecer más rápido, formando hielo granizado, que se congelará para formar hielo.

El agua caliente es más susceptible a la hipotermia porque al calentarla se eliminan los gases y las burbujas disueltos, que a su vez pueden servir como centros para la formación de cristales de hielo.

¿Por qué la hipotermia hace que el agua caliente se congele más rápido? En el caso del agua fría que no está sobreenfriada, sucede lo siguiente. En este caso, se formará una fina capa de hielo en la superficie del recipiente. Esta capa de hielo actuará como aislante entre el agua y el aire frío y evitará una mayor evaporación. La tasa de formación de cristales de hielo en este caso será menor. En el caso del agua caliente sometida a sobreenfriamiento, el agua sobreenfriada no tiene una capa superficial protectora de hielo. Por lo tanto, pierde calor mucho más rápido a través de la parte superior abierta.

Cuando finaliza el proceso de sobreenfriamiento y el agua se congela, se pierde mucho más calor y por tanto se forma más hielo.

Muchos investigadores de este efecto consideran que la hipotermia es el factor principal en el caso del efecto Mpemba.

Convección

Este efecto se explica por una anomalía en la densidad del agua. El agua tiene una densidad máxima a 4 C. Si enfrías el agua a 4 C y la pones a una temperatura más baja, la capa superficial de agua se congelará más rápido. Debido a que esta agua es menos densa que el agua a una temperatura de 4 C, permanecerá en la superficie formando una fina capa fría. En estas condiciones, en poco tiempo se formará una fina capa de hielo en la superficie del agua, pero esta capa de hielo servirá como aislante, protegiendo las capas inferiores de agua, que permanecerán a una temperatura de 4 C. Por lo tanto, el proceso de enfriamiento posterior será más lento.

En el caso del agua caliente la situación es completamente diferente. La capa superficial de agua se enfriará más rápidamente debido a la evaporación y a una mayor diferencia de temperatura. Además, las capas de agua fría son más densas que las de agua caliente, por lo que la capa de agua fría se hundirá, elevando la capa de agua tibia a la superficie. Esta circulación de agua asegura un rápido descenso de la temperatura.

Pero ¿por qué este proceso no llega a un punto de equilibrio? Para explicar el efecto Mpemba desde este punto de vista de la convección, sería necesario suponer que las capas de agua fría y caliente están separadas y que el proceso de convección continúa después de que la temperatura promedio del agua cae por debajo de 4 C.

Sin embargo, no hay evidencia experimental que respalde esta hipótesis de que las capas de agua fría y caliente estén separadas por el proceso de convección.

Gases disueltos en agua.

El agua siempre contiene gases disueltos: oxígeno y dióxido de carbono. Estos gases tienen la capacidad de reducir el punto de congelación del agua. Cuando se calienta el agua, estos gases se liberan del agua porque su solubilidad en agua es menor a altas temperaturas. Por lo tanto, cuando el agua caliente se enfría, siempre contiene menos gases disueltos que el agua fría sin calentar. Por tanto, el punto de congelación del agua calentada es mayor y se congela más rápido. Este factor se considera a veces como el principal para explicar el efecto Mpemba, aunque no existen datos experimentales que lo confirmen.

Conductividad térmica

Todas estas (y otras) condiciones se estudiaron en muchos experimentos, pero nunca se obtuvo una respuesta clara a la pregunta: cuál de ellas proporciona una reproducción cien por cien del efecto Mpemba.

Por ejemplo, en 1995, el físico alemán David Auerbach estudió el efecto del sobreenfriamiento del agua sobre este efecto. Descubrió que el agua caliente, al alcanzar un estado sobreenfriado, se congela a una temperatura más alta que el agua fría y, por tanto, más rápido que esta última. Pero el agua fría alcanza un estado sobreenfriado más rápido que el agua caliente, compensando así el retraso anterior.

Además, los resultados de Auerbach contradicen datos anteriores de que el agua caliente podía alcanzar un mayor sobreenfriamiento debido a que tenía menos centros de cristalización. Cuando se calienta el agua, se eliminan los gases disueltos en ella, y cuando se hierve, precipitan algunas sales disueltas en ella.

Por ahora sólo se puede afirmar una cosa: la reproducción de este efecto depende en gran medida de las condiciones en las que se lleva a cabo el experimento. Precisamente porque no siempre se reproduce.

OV Mosin

Literariofuentes:

"El agua caliente se congela más rápido que el agua fría. ¿Por qué lo hace?", Jearl Walker en The Amateur Scientist, Scientific American, vol. 237, núm. 3, págs. 246-257; Septiembre de 1977.

"La congelación de agua fría y caliente", G.S. Kell en American Journal of Physics, vol. 37, núm. 5, págs. 564-565; Mayo de 1969.

"Superenfriamiento y efecto Mpemba", David Auerbach, en American Journal of Physics, vol. 63, núm. 10, págs. 882-885; Octubre de 1995.

"El efecto Mpemba: los tiempos de congelación del agua fría y caliente", Charles A. Knight, en American Journal of Physics, vol. 64, núm. 5, pág. 524; Mayo de 1996.

En 1963, un escolar tanzano llamado Erasto Mpemba le hizo a su maestro una pregunta estúpida: ¿por qué el helado caliente en su congelador se congelaba más rápido que el frío?

Se dirigió al profesor de física para pedirle una aclaración, pero se limitó a reírse del estudiante y le dijo lo siguiente: “Esto no es física universal, sino física Mpemba”. Después de esto, Mpemba experimentó no sólo con leche, sino también con agua corriente.

En cualquier caso, ya siendo estudiante en la escuela secundaria de Mkwava, preguntó al profesor Dennis Osborne del University College de Dar Es Salaam (invitado por el director de la escuela a dar una conferencia sobre física a los estudiantes) específicamente sobre el agua: “Si tomas dos recipientes idénticos con volúmenes iguales de agua para que en uno de ellos el agua tenga una temperatura de 35°C, y en el otro - 100°C, y póngalos en el congelador, luego en el segundo el agua se congelará más rápido. ¿Por qué?" Osborne se interesó por este tema y pronto, en 1969, él y Mpemba publicaron los resultados de sus experimentos en la revista Physics Education. Desde entonces, el efecto que descubrieron se llamó efecto Mpemba.

¿Te interesa saber por qué sucede esto? Hace apenas unos años, los científicos lograron explicar este fenómeno...

El efecto Mpemba (paradoja de Mpemba) es una paradoja que establece que el agua caliente bajo algunas condiciones se congela más rápido que el agua fría, aunque debe superar la temperatura del agua fría durante el proceso de congelación. Esta paradoja es un hecho experimental que contradice las ideas habituales según las cuales, en las mismas condiciones, un cuerpo más calentado tarda más en enfriarse a una determinada temperatura que un cuerpo menos calentado en enfriarse a la misma temperatura.

Este fenómeno fue observado en su época por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes. Hasta ahora nadie sabe exactamente cómo explicar este extraño efecto. Los científicos no tienen una única versión, aunque hay muchas. Se trata de la diferencia en las propiedades del agua fría y caliente, pero aún no está claro qué propiedades juegan un papel en este caso: la diferencia en el sobreenfriamiento, la evaporación, la formación de hielo, la convección o el efecto de los gases licuados en el agua en diferentes temperaturas. La paradoja del efecto Mpemba es que el tiempo durante el cual un cuerpo se enfría hasta la temperatura ambiente debe ser proporcional a la diferencia de temperatura entre este cuerpo y el medio ambiente. Esta ley fue establecida por Newton y desde entonces ha sido confirmada muchas veces en la práctica. En este efecto, el agua con una temperatura de 100°C se enfría a una temperatura de 0°C más rápido que la misma cantidad de agua con una temperatura de 35°C.

Desde entonces se han expresado diferentes versiones, una de las cuales era la siguiente: parte del agua caliente primero simplemente se evapora y luego, cuando queda menos, el agua se congela más rápido. Esta versión, debido a su simplicidad, se convirtió en la más popular, pero no satisfizo del todo a los científicos.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, dirigido por el químico Xi Zhang, dice haber resuelto el antiguo misterio de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Como han descubierto los expertos chinos, el secreto está en la cantidad de energía almacenada en los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua.

Como sabes, las moléculas de agua están formadas por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes, lo que a nivel de partícula parece un intercambio de electrones. Otro hecho bien conocido es que los átomos de hidrógeno son atraídos por los átomos de oxígeno de las moléculas vecinas: se forman enlaces de hidrógeno.

Al mismo tiempo, las moléculas de agua generalmente se repelen entre sí. Los científicos de Singapur se dieron cuenta: cuanto más caliente está el agua, mayor es la distancia entre las moléculas del líquido debido al aumento de las fuerzas repulsivas. Como resultado, los enlaces de hidrógeno se estiran y por tanto almacenan más energía. Esta energía se libera cuando el agua se enfría: las moléculas se acercan unas a otras. Y la liberación de energía, como se sabe, significa enfriamiento.

Estas son las suposiciones propuestas por los científicos:

Evaporación

El agua caliente se evapora más rápido del recipiente, lo que reduce su volumen, y un volumen menor de agua a la misma temperatura se congela más rápido. El agua calentada a 100°C pierde el 16% de su masa cuando se enfría a 0°C. El efecto de evaporación es un efecto doble. En primer lugar, disminuye la masa de agua necesaria para la refrigeración. Y en segundo lugar, debido a la evaporación, su temperatura disminuye.

diferencia de temperatura

Debido a que la diferencia de temperatura entre el agua caliente y el aire frío es mayor, el intercambio de calor en este caso es más intenso y el agua caliente se enfría más rápido.

Hipotermia
Cuando el agua se enfría por debajo de 0°C no siempre se congela. En algunas condiciones, puede sufrir un sobreenfriamiento y permanecer líquido a temperaturas bajo cero. En algunos casos, el agua puede permanecer líquida incluso a una temperatura de -20°C. La razón de este efecto es que para que comiencen a formarse los primeros cristales de hielo, se necesitan centros de formación de cristales. Si no están presentes en el agua líquida, el sobreenfriamiento continuará hasta que la temperatura baje lo suficiente como para que se formen cristales espontáneamente. Cuando comiencen a formarse en el líquido sobreenfriado, comenzarán a crecer más rápido, formando hielo granizado, que se congelará para formar hielo. El agua caliente es más susceptible a la hipotermia porque al calentarla se eliminan los gases y las burbujas disueltos, que a su vez pueden servir como centros para la formación de cristales de hielo. ¿Por qué la hipotermia hace que el agua caliente se congele más rápido? En el caso del agua fría que no está sobreenfriada, ocurre lo siguiente: se forma una fina capa de hielo en su superficie, que actúa como aislante entre el agua y el aire frío, evitando así una mayor evaporación. La tasa de formación de cristales de hielo en este caso será menor. En el caso del agua caliente sometida a sobreenfriamiento, el agua sobreenfriada no tiene una capa superficial protectora de hielo. Por lo tanto, pierde calor mucho más rápido a través de la parte superior abierta. Cuando finaliza el proceso de sobreenfriamiento y el agua se congela, se pierde mucho más calor y por tanto se forma más hielo. Muchos investigadores de este efecto consideran que la hipotermia es el factor principal en el caso del efecto Mpemba.
Convección

El agua fría comienza a congelarse desde arriba, empeorando así los procesos de radiación y convección de calor y, por tanto, la pérdida de calor, mientras que el agua caliente comienza a congelarse desde abajo. Este efecto se explica por una anomalía en la densidad del agua. El agua tiene su máxima densidad a 4°C. Si enfrías el agua a 4°C y la colocas en un ambiente con una temperatura más baja, la capa superficial de agua se congelará más rápido. Debido a que esta agua es menos densa que el agua a 4°C, permanecerá en la superficie, formando una fina capa fría. En estas condiciones, en poco tiempo se formará una fina capa de hielo en la superficie del agua, pero esta capa de hielo actuará como aislante, protegiendo las capas inferiores de agua, que permanecerán a una temperatura de 4°C. . Por lo tanto, el proceso de enfriamiento posterior será más lento. En el caso del agua caliente la situación es completamente diferente. La capa superficial de agua se enfriará más rápidamente debido a la evaporación y a una mayor diferencia de temperatura. Además, las capas de agua fría son más densas que las de agua caliente, por lo que la capa de agua fría se hundirá, llevando la capa de agua tibia a la superficie. Esta circulación de agua asegura un rápido descenso de la temperatura. Pero ¿por qué este proceso no llega a un punto de equilibrio? Para explicar el efecto Mpemba desde el punto de vista de la convección, sería necesario suponer que las capas de agua fría y caliente se separan y que el proceso de convección continúa después de que la temperatura promedio del agua cae por debajo de 4 ° C. Sin embargo, no hay evidencia experimental que respalde esta hipótesis de que las capas de agua fría y caliente estén separadas por el proceso de convección.

Gases disueltos en agua.

Conductividad térmica

Este mecanismo puede desempeñar un papel importante cuando se coloca agua en el compartimento frigorífico-congelador en recipientes pequeños. En estas condiciones, se ha observado que un recipiente con agua caliente derrite el hielo en el congelador que se encuentra debajo, mejorando así el contacto térmico con la pared del congelador y la conductividad térmica. Como resultado, el calor se elimina de un recipiente con agua caliente más rápido que de uno frío. A su vez, un recipiente con agua fría no derrite la nieve que hay debajo. Todas estas (y otras) condiciones se estudiaron en muchos experimentos, pero nunca se obtuvo una respuesta inequívoca a la pregunta de cuál de ellas garantiza la reproducción del 100% del efecto Mpemba. Por ejemplo, en 1995, el físico alemán David Auerbach estudió el efecto del sobreenfriamiento del agua sobre este efecto. Descubrió que el agua caliente, al alcanzar un estado sobreenfriado, se congela a una temperatura más alta que el agua fría y, por tanto, más rápido que esta última. Pero el agua fría alcanza un estado sobreenfriado más rápido que el agua caliente, compensando así el retraso anterior. Además, los resultados de Auerbach contradicen datos anteriores de que el agua caliente podía alcanzar un mayor sobreenfriamiento debido a que tenía menos centros de cristalización. Cuando se calienta el agua, se eliminan los gases disueltos en ella, y cuando se hierve, precipitan algunas sales disueltas en ella. Por ahora sólo se puede afirmar una cosa: la reproducción de este efecto depende en gran medida de las condiciones en las que se lleva a cabo el experimento. Precisamente porque no siempre se reproduce.

Pero como dicen, la razón más probable.

Como escriben los químicos en su artículo, que se puede encontrar en el sitio web de preimpresión arXiv.org, los enlaces de hidrógeno son más fuertes en agua caliente que en agua fría. Por lo tanto, resulta que se almacena más energía en los enlaces de hidrógeno del agua caliente, lo que significa que se libera más energía cuando se enfría a temperaturas bajo cero. Por este motivo, el endurecimiento se produce más rápido.

Hasta la fecha, los científicos han resuelto este misterio sólo teóricamente. Cuando presentan pruebas convincentes de su versión, la cuestión de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría puede considerarse cerrada.

Hay muchos factores que influyen en qué agua se congela más rápido, si caliente o fría, pero la pregunta en sí parece un poco extraña. La implicación, y esto se sabe por la física, es que el agua caliente todavía necesita tiempo para enfriarse hasta la temperatura del agua fría que se compara para convertirse en hielo. El agua fría puede saltarse esta etapa y, en consecuencia, gana tiempo.

Pero la respuesta a la pregunta de qué agua se congela más rápido, fría o caliente, en el exterior cuando hace frío, la conoce cualquier residente de las latitudes del norte. De hecho, científicamente resulta que, en cualquier caso, el agua fría simplemente se congelará más rápido.

Lo mismo pensó el profesor de física, a quien el colegial Erasto Mpemba se acercó en 1963, pidiéndole que explicara por qué la mezcla fría del futuro helado tarda más en congelarse que una similar, pero caliente.

“Esto no es física universal, sino una especie de física Mpemba”

En ese momento, el maestro solo se rió de esto, pero Deniss Osborne, profesor de física, que en un momento visitó la misma escuela donde estudiaba Erasto, confirmó experimentalmente la presencia de tal efecto, aunque entonces no había explicación para ello. En 1969, se publicó en una revista científica de divulgación un artículo conjunto de estas dos personas que describía este peculiar efecto.

Desde entonces, por cierto, la cuestión de qué agua se congela más rápido, fría o caliente, tiene su propio nombre: efecto Mpemba, o paradoja.

La pregunta existe desde hace mucho tiempo.

Naturalmente, este fenómeno ocurrió antes y fue mencionado en los trabajos de otros científicos. No sólo el escolar se interesó por este tema, sino que René Descartes e incluso Aristóteles también pensaron en ello en algún momento.

Pero no comenzaron a buscar enfoques para resolver esta paradoja hasta finales del siglo XX.

Condiciones para que ocurra una paradoja

Al igual que con el helado, no es sólo agua la que se congela durante el experimento. Deben darse ciertas condiciones para comenzar a discutir sobre qué agua se congela más rápido: la fría o la caliente. ¿Qué influye en el curso de este proceso?

Ahora, en el siglo XXI, se han propuesto varias opciones que pueden explicar esta paradoja. Qué agua se congela más rápido, caliente o fría, puede depender del hecho de que tiene una tasa de evaporación más alta que el agua fría. Así, su volumen disminuye, y a medida que disminuye el volumen, el tiempo de congelación se vuelve más corto que si cogiéramos el mismo volumen inicial de agua fría.

Ha pasado un tiempo desde que descongelaste el congelador.

Qué agua se congela más rápido y por qué sucede esto puede verse influenciado por el revestimiento de nieve que puede haber en el congelador del refrigerador utilizado para el experimento. Si se cogen dos recipientes de idéntico volumen, pero uno de ellos contiene agua caliente y el otro fría, el recipiente con agua caliente derretirá la nieve que hay debajo, mejorando así el contacto del nivel térmico con la pared del frigorífico. Un recipiente con agua fría no puede hacer esto. Si no hay tal revestimiento de nieve en el compartimento del frigorífico, el agua fría debería congelarse más rápido.

Arriba - abajo

Además, el fenómeno por el cual el agua se congela más rápido, ya sea fría o caliente, se explica a continuación. Siguiendo ciertas leyes, el agua fría comienza a congelarse desde las capas superiores, cuando el agua caliente hace lo contrario: comienza a congelarse de abajo hacia arriba. Resulta que el agua fría, al tener una capa fría encima con hielo ya formado en algunos lugares, empeora los procesos de convección y radiación térmica, lo que explica qué agua se congela más rápido: fría o caliente. Se adjuntan fotografías de experimentos de aficionados, y esto se ve claramente aquí.

El calor se apaga, se precipita hacia arriba y allí se encuentra con una capa muy enfriada. No hay un camino libre para la radiación de calor, por lo que el proceso de enfriamiento se vuelve difícil. El agua caliente no tiene tales obstáculos en su camino. Qué se congela más rápido: frío o caliente, de lo cual depende el resultado probable, se puede ampliar la respuesta diciendo que cualquier agua tiene ciertas sustancias disueltas en ella.

Las impurezas en el agua como factor que influye en el resultado.

Si no haces trampa y usas agua con la misma composición, donde las concentraciones de ciertas sustancias son idénticas, entonces el agua fría debería congelarse más rápido. Pero si ocurre una situación en la que los elementos químicos disueltos están presentes solo en el agua caliente y el agua fría no los contiene, entonces el agua caliente tiene la oportunidad de congelarse antes. Esto se explica por el hecho de que las sustancias disueltas en el agua crean centros de cristalización y, con un pequeño número de estos centros, la transformación del agua a un estado sólido es difícil. Incluso es posible que el agua esté sobreenfriada, en el sentido de que a temperaturas bajo cero estará en estado líquido.

Pero todas estas versiones, aparentemente, no convenían del todo a los científicos y continuaron trabajando en este tema. En 2013, un equipo de investigadores de Singapur dijo que había resuelto un antiguo misterio.

Un grupo de científicos chinos afirma que el secreto de este efecto reside en la cantidad de energía que se almacena entre las moléculas de agua en sus enlaces, llamados enlaces de hidrógeno.

La respuesta de los científicos chinos.

Lo que sigue es información, para comprender cuál es necesario tener algunos conocimientos de química para poder comprender qué agua se congela más rápido: fría o caliente. Como se sabe, consta de dos átomos de H (hidrógeno) y un átomo de O (oxígeno), unidos por enlaces covalentes.

Pero también los átomos de hidrógeno de una molécula son atraídos por las moléculas vecinas, por su componente de oxígeno. Estos enlaces se llaman enlaces de hidrógeno.

Vale la pena recordar que al mismo tiempo las moléculas de agua tienen un efecto repulsivo entre sí. Los científicos observaron que cuando el agua se calienta, la distancia entre sus moléculas aumenta, y esto se ve facilitado por las fuerzas repulsivas. Resulta que al ocupar la misma distancia entre las moléculas en estado frío, se puede decir que se estiran y tienen un mayor aporte de energía. Es esta reserva de energía la que se libera cuando las moléculas de agua comienzan a acercarse entre sí, es decir, se produce el enfriamiento. Resulta que una mayor reserva de energía en el agua caliente y su mayor liberación cuando se enfría a temperaturas bajo cero se produce más rápido que en el agua fría, que tiene una reserva menor de dicha energía. Entonces, ¿qué agua se congela más rápido: la fría o la caliente? En la calle y en el laboratorio debería ocurrir la paradoja de Mpemba y el agua caliente debería convertirse más rápidamente en hielo.

Pero la pregunta sigue abierta.

Sólo hay una confirmación teórica de esta solución: todo esto está escrito en bellas fórmulas y parece plausible. Pero cuando los datos experimentales según los cuales el agua se congela más rápido (fría o caliente) se ponen en práctica y se presentan sus resultados, entonces la cuestión de la paradoja de Mpemba puede considerarse cerrada.

La Real Sociedad Británica de Química ofrece una recompensa de 1.000 libras esterlinas a cualquiera que pueda explicar científicamente por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría en algunos casos.

“La ciencia moderna todavía no puede responder a esta pregunta aparentemente sencilla. Los heladeros y los bartenders utilizan este efecto en su trabajo diario, pero nadie sabe realmente por qué funciona. Este problema se conoce desde hace milenios, y filósofos como Aristóteles y Descartes han pensado en él”, afirmó el profesor David Phillips, presidente de la Real Sociedad Británica de Química, citado en un comunicado de prensa de la sociedad.

Cómo un cocinero africano derrotó a un profesor de física británico

Esto no es una broma del Día de los Inocentes, sino una dura realidad física. La ciencia moderna, que opera fácilmente con galaxias y agujeros negros, y construye aceleradores gigantes para buscar quarks y bosones, no puede explicar cómo “funciona” el agua elemental. El libro de texto escolar dice claramente que se necesita más tiempo para enfriar un cuerpo más caliente que para enfriar un cuerpo frío. Pero en el caso del agua, esta ley no siempre se cumple. Aristóteles llamó la atención sobre esta paradoja en el siglo IV a.C. mi. Esto es lo que escribió el antiguo griego en su libro Meteorologica I: “El hecho de que el agua se precaliente hace que se congele. Por eso, mucha gente, cuando quiere enfriar más rápido el agua caliente, primero la pone al sol...” En la Edad Media, Francis Bacon y René Descartes intentaron explicar este fenómeno. Lamentablemente, ni los grandes filósofos ni los numerosos científicos que desarrollaron la termofísica clásica lo lograron y, por lo tanto, un hecho tan inconveniente fue "olvidado" durante mucho tiempo.

Y recién en 1968 “recordaron” gracias al colegial Erasto Mpembe de Tanzania, lejos de cualquier ciencia. Mientras estudiaba en la escuela de artes culinarias en 1963, a Mpembe, de 13 años, se le asignó la tarea de hacer helado. Según la tecnología, era necesario hervir la leche, disolver el azúcar en ella, enfriarla a temperatura ambiente y luego ponerla en el refrigerador para que se congelara. Al parecer, Mpemba no era un estudiante diligente y dudó. Temiendo no poder llegar al final de la lección, puso leche aún caliente en el refrigerador. Para su sorpresa, se congeló incluso antes que la leche de sus compañeros, preparada según todas las reglas.

Cuando Mpemba compartió su descubrimiento con su profesor de física, se rió de él delante de toda la clase. Mpemba recordó el insulto. Cinco años más tarde, ya estudiante en la universidad de Dar es Salaam, asistió a una conferencia del famoso físico Denis G. Osborne. Después de la conferencia, le hizo una pregunta al científico: “Si tomas dos recipientes idénticos con cantidades iguales de agua, uno a 35 °C (95 °F) y el otro a 100 °C (212 °F), y los colocas en el congelador, luego el agua en un recipiente caliente se congelará más rápido. ¿Por qué?" Puede imaginarse la reacción de un profesor británico ante la pregunta de un joven de la abandonada Tanzania. Se burló del estudiante. Sin embargo, Mpemba estaba preparado para tal respuesta y retó al científico a una apuesta. Su disputa terminó con una prueba experimental que confirmó que Mpemba tenía razón y Osborne fue derrotado. Así, el aprendiz de cocinero escribió su nombre en la historia de la ciencia, y en adelante a este fenómeno se le denomina “efecto Mpemba”. Es imposible descartarlo, declararlo “inexistente”. El fenómeno existe y, como escribió el poeta, “no duele”.

¿Son las partículas de polvo y los solutos los culpables?

A lo largo de los años, muchos han intentado desentrañar el misterio del agua helada. Se han propuesto muchas explicaciones para este fenómeno: evaporación, convección, influencia de sustancias disueltas, pero ninguno de estos factores puede considerarse definitivo. Varios científicos han dedicado toda su vida al efecto Mpemba. James Brownridge, miembro del Departamento de Seguridad Radiológica de la Universidad Estatal de Nueva York, ha estado estudiando la paradoja en su tiempo libre durante una década. Después de realizar cientos de experimentos, el científico afirma tener pruebas de la “culpa” de la hipotermia. Brownridge explica que a 0°C, el agua sólo se sobreenfría y comienza a congelarse cuando la temperatura desciende por debajo. El punto de congelación está regulado por las impurezas del agua: cambian la velocidad de formación de cristales de hielo. Las impurezas, como partículas de polvo, bacterias y sales disueltas, tienen una temperatura de nucleación característica cuando se forman cristales de hielo alrededor de los centros de cristalización. Cuando en el agua están presentes varios elementos a la vez, el punto de congelación lo determina aquel que tiene la temperatura de nucleación más alta.

Para el experimento, Brownridge tomó dos muestras de agua de la misma temperatura y las colocó en el congelador. Descubrió que uno de los especímenes siempre se congelaba antes que el otro, presumiblemente debido a una combinación diferente de impurezas.

Brownridge dice que el agua caliente se enfría más rápido porque hay una mayor diferencia entre la temperatura del agua y la del congelador; esto ayuda a que alcance su punto de congelación antes de que el agua fría alcance su punto de congelación natural, que es al menos 5°C más bajo.

Sin embargo, el razonamiento de Brownridge plantea muchas preguntas. Por lo tanto, aquellos que puedan explicar el efecto Mpemba a su manera tienen la oportunidad de competir por mil libras esterlinas de la Real Sociedad Británica de Química.

Parecería que la vieja fórmula H 2 O no contiene secretos. Pero, de hecho, el agua, fuente de vida y el líquido más famoso del mundo, está plagada de muchos misterios que a veces ni siquiera los científicos pueden resolver.

Aquí tienes los 5 datos más interesantes sobre el agua:

1. El agua caliente se congela más rápido que el agua fría

Cogemos dos recipientes con agua: echamos agua caliente en uno y agua fría en el otro, y los metemos en el congelador. El agua caliente se congelará más rápido que el agua fría, aunque según la lógica de las cosas, el agua fría debería haberse convertido primero en hielo: después de todo, el agua caliente primero debe enfriarse a la temperatura fría y luego convertirse en hielo, mientras que el agua fría no. Necesito enfriar. ¿Por qué sucede esto?

En 1963, Erasto B. Mpemba, un estudiante de secundaria en Tanzania, estaba congelando una mezcla de helado y notó que la mezcla caliente se solidificaba más rápido en el congelador que la fría. Cuando el joven compartió su descubrimiento con su profesor de física, este solo se rió de él. Afortunadamente, el alumno fue persistente y convenció al profesor para que realizara un experimento que confirmó su descubrimiento: en determinadas condiciones, el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.

Ahora bien, este fenómeno de que el agua caliente se congele más rápido que el agua fría se llama efecto Mpemba. Es cierto que mucho antes que él, Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes notaron esta propiedad única del agua.

Los científicos aún no comprenden completamente la naturaleza de este fenómeno, explicándolo por la diferencia en el sobreenfriamiento, la evaporación, la formación de hielo, la convección o por el efecto de los gases licuados en el agua fría y caliente.

Nota de X.RU sobre el tema "El agua caliente se congela más rápido que el agua fría".

Dado que los temas de la refrigeración están más cerca de nosotros, especialistas en refrigeración, nos permitiremos profundizar un poco más en la esencia de este problema y dar dos opiniones sobre la naturaleza de tan misterioso fenómeno.

1. Un científico de la Universidad de Washington ha propuesto una explicación a un misterioso fenómeno conocido desde la época de Aristóteles: por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.

El fenómeno, llamado efecto Mpemba, se utiliza ampliamente en la práctica. Por ejemplo, los expertos aconsejan a los automovilistas que en invierno viertan agua fría, no caliente, en el depósito de la lavadora. Pero durante mucho tiempo se desconoció lo que subyace a este fenómeno.

El Dr. Jonathan Katz de la Universidad de Washington estudió este fenómeno y llegó a la conclusión de que las sustancias disueltas en el agua que precipitan al calentarse desempeñan un papel importante, informa EurekAlert.

Por solutos, el Dr. Katz se refiere a los bicarbonatos de calcio y magnesio, que se encuentran en el agua dura. Cuando se calienta el agua, estas sustancias precipitan y forman incrustaciones en las paredes del hervidor. El agua que nunca ha sido calentada contiene estas impurezas. A medida que se congela y se forman cristales de hielo, la concentración de impurezas en el agua aumenta 50 veces. Debido a esto, el punto de congelación del agua disminuye. "Y ahora el agua tiene que enfriarse más para congelarse", explica el Dr. Katz.

Hay una segunda razón que evita que el agua sin calentar se congele. Bajar el punto de congelación del agua reduce la diferencia de temperatura entre las fases sólida y líquida. “Debido a que la velocidad con la que el agua pierde calor depende de esta diferencia de temperatura, el agua que no ha sido calentada se enfría peor”, comenta el Dr. Katz.

Según el científico, su teoría puede comprobarse experimentalmente, porque El efecto Mpemba se vuelve más notorio en aguas más duras.

2. El oxígeno más el hidrógeno más el frío crean hielo. A primera vista, esta sustancia transparente parece muy sencilla. En realidad, el hielo encierra muchos misterios. Ice, creado por el africano Erasto Mpemba, no pensó en la fama. Los días eran calurosos. Quería paletas heladas. Tomó la caja de jugo y la metió en el congelador. Lo hizo más de una vez y por eso notó que el jugo se congela especialmente rápido si lo expones primero al sol: ¡realmente lo calienta! Esto es extraño, pensó el colegial tanzano, que actuó en contra de la sabiduría mundana. ¿Es realmente necesario precalentar el líquido para que se convierta en hielo más rápido? El joven quedó tan sorprendido que compartió su suposición con el maestro. Denunció esta curiosidad en la prensa.

Esta historia ocurrió allá por los años sesenta del siglo pasado. Ahora los científicos conocen bien el "efecto Mpemba". Pero durante mucho tiempo este fenómeno aparentemente simple siguió siendo un misterio. ¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría?

No fue hasta 1996 que el físico David Auerbach encontró una solución. Para responder a esta pregunta, realizó un experimento durante todo un año: calentó agua en un vaso y la volvió a enfriar. Entonces, ¿qué descubrió? Cuando se calienta, las burbujas de aire disueltas en agua se evaporan. El agua sin gases se congela más fácilmente en las paredes del recipiente. "Por supuesto, el agua con un alto contenido de aire también se congela", afirma Auerbach, "pero no a cero grados centígrados, sino sólo a menos cuatro o seis grados". Por supuesto, tendrás que esperar más. Entonces, el agua caliente se congela antes que el agua fría, esto es un hecho científico.

Difícilmente existe una sustancia que aparezca ante nuestros ojos con la misma facilidad que el hielo. Se compone únicamente de moléculas de agua, es decir, moléculas elementales que contienen dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Sin embargo, el hielo es quizás la sustancia más misteriosa del Universo. Los científicos aún no han podido explicar algunas de sus propiedades.

2. Sobreenfriamiento y congelación "instantánea"

Todo el mundo sabe que el agua siempre se convierte en hielo cuando se enfría a 0°C... ¡excepto en algunos casos! Un ejemplo de esto es el "sobreenfriamiento", que es la propiedad del agua muy pura de permanecer líquida incluso cuando se enfría por debajo del punto de congelación. Este fenómeno es posible gracias a que el ambiente no contiene centros o núcleos de cristalización que puedan desencadenar la formación de cristales de hielo. Y así el agua permanece en forma líquida incluso cuando se enfría por debajo de cero grados Celsius. El proceso de cristalización puede desencadenarse, por ejemplo, por burbujas de gas, impurezas (contaminantes) o una superficie irregular del recipiente. Sin ellos, el agua permanecerá en estado líquido. Cuando comienza el proceso de cristalización, puedes ver cómo el agua súper enfriada se convierte instantáneamente en hielo.

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Comentario. El agua sobrecalentada también permanece líquida incluso cuando se calienta por encima de su punto de ebullición.

3. Agua "de cristal"

Rápidamente y sin pensar, nombra ¿cuántos estados diferentes tiene el agua?

Si respondiste tres (sólido, líquido, gas), entonces estabas equivocado. Los científicos identifican al menos cinco estados diferentes de agua líquida y 14 estados de hielo.

¿Recuerdas la conversación sobre el agua súper fría? Así que, hagas lo que hagas, a -38 °C incluso el agua más pura y súper fría se convierte de repente en hielo. ¿Qué sucede con una mayor caída?

¿temperatura? A -120 °C le empieza a pasar algo extraño al agua: se vuelve súper viscosa o viscosa, como la melaza, y a temperaturas inferiores a -135 °C se convierte en agua “vidriosa” o “vítrea”, una sustancia sólida que carece de estructura cristalina. .

4. Propiedades cuánticas del agua

A nivel molecular, el agua es aún más sorprendente. En 1995, un experimento de dispersión de neutrones realizado por científicos arrojó un resultado inesperado: los físicos descubrieron que los neutrones dirigidos a moléculas de agua "ven" un 25% menos de protones de hidrógeno de lo esperado.

Resultó que a una velocidad de un attosegundo (10-18 segundos) se produce un efecto cuántico inusual, y la fórmula química del agua, en lugar de la habitual: H 2 O, se convierte en H 1,5 O.

5. ¿Tiene el agua memoria?

La homeopatía, una alternativa a la medicina convencional, afirma que una solución diluida de un medicamento puede tener un efecto curativo en el cuerpo, incluso si el factor de dilución es tan grande que no queda nada en la solución excepto moléculas de agua. Los defensores de la homeopatía explican esta paradoja con el concepto llamado “memoria del agua”, según el cual el agua a nivel molecular tiene una “memoria” de la sustancia una vez disuelta en ella y conserva las propiedades de la solución de la concentración original después de ni una sola vez. La molécula del ingrediente permanece en él.

Un grupo internacional de científicos dirigido por la profesora Madeleine Ennis de la Universidad Queen de Belfast, que criticaba los principios de la homeopatía, realizó un experimento en 2002 para refutar este concepto de una vez por todas. El resultado fue el contrario. pudieron demostrar la realidad del efecto “memoria del agua”. Sin embargo, los experimentos realizados bajo la supervisión de expertos independientes no arrojaron ningún resultado. El debate sobre la existencia del fenómeno de la “memoria del agua” continúa.

El agua tiene muchas otras propiedades inusuales de las que no hablamos en este artículo.

Literatura.

1. 5 cosas realmente raras sobre el agua / http://www.neatorama.com.
2. El misterio del agua: se creó la teoría del efecto Aristóteles-Mpemba / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Secretos de la naturaleza inanimada. La sustancia más misteriosa del universo / http://www.bibliotekar.ru.

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