L'eau chaude peut geler plus vite que l'eau froide
Oui - une explication générale
L'eau chaude peut en fait geler plus vite que l'eau froide pour une large gamme de conditions expérimentales. Ce phénomène est extrêmement contre-intuitif, et surprenant, même à la plupart des scientifiques, mais il est en fait réel. Il a été vu et étudié dans de nombreuses expériences. Bien que ce phénomène est connu depuis des siècles, et a été décrit par Aristote, Bacon et Descartes [1-3]. il n'a pas été présenté à la communauté scientifique moderne jusqu'en 1969, par un haut élève de l'école tanzanienne nommé Mpemba. Tant le début de l'histoire scientifique de cet effet, et l'histoire de la redécouverte de Mpemba de celui-ci, sont intéressants en eux-mêmes - l'histoire de Mpemba en particulier fournir une parabole dramatique contre des jugements instantanés sur ce qui est impossible. Ceci est décrit séparément ci-dessous.
Il ne sait pas encore exactement pourquoi cela se produit. Un certain nombre d'explications possibles pour l'effet ont été proposées, mais jusqu'à présent, les expériences ne montrent pas clairement, le cas échéant, des mécanismes proposés est le plus important. Bien que vous entendrez souvent que X demandes confiantes est la cause de l'effet Mpemba, ces demandes sont généralement basées sur des conjectures, ou en regardant la preuve que dans quelques papiers et en ignorant le reste. Bien sûr, il n'y a rien de mal à devinettes théorique informé ou d'être sélectif dans lequel vous les résultats expérimentaux confiance; le problème est que différentes personnes font des revendications différentes quant à ce que X est.
Pourquoi n'a pas la science moderne répondu à cette question en apparence simple à propos de l'eau de refroidissement? Le principal problème est que le temps qu'il faut eau de geler est très sensible à un certain nombre de détails dans le dispositif expérimental, tels que la forme et la taille du récipient, la forme et la taille de l'unité de réfrigération, le gaz et la teneur en impuretés de l'eau, comment le temps de gel est défini, et ainsi de suite. En raison de cette sensibilité, alors que les expériences ont généralement convenu que l'effet Mpemba se produit, ils sont en désaccord sur les conditions dans lesquelles il se produit, et donc pourquoi il se produit. Comme Firth [7] a écrit « Il y a une richesse de variation expérimentale du problème afin que toute entreprise de laboratoire de ces enquêtes est garantie des résultats différents de tous les autres. »
Histoire de l'effet Mpemba
Le fait que l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide est connue depuis plusieurs siècles. La première référence à ce phénomène remonte à Aristote dans 300 av. J.-C. Le phénomène a été discuté plus tard à l'époque médiévale, comme les physiciens européens luttaient pour trouver une théorie de la chaleur. Mais au 20e siècle, le phénomène n'a été connu que le folklore commun, jusqu'à ce qu'il soit présenté de nouveau à la communauté scientifique en 1969 par Mpemba, un haut élève de l'école tanzanienne. Depuis lors, de nombreuses expériences ont confirmé l'existence de « l'effet Mpemba », mais n'a pas réglé sur une seule explication.
La première référence connue à ce phénomène est par Aristote, qui a écrit:
« Le fait que l'eau a été préalablement chauffé contribue à sa congélation rapide, car il se refroidit plus tôt D'où beaucoup de gens, quand ils veulent refroidir rapidement l'eau chaude, commencez par mettre au soleil. ». [1,4]
Il a écrit ces mots à l'appui d'une idée erronée qu'il appelait antiperistasis. Antiperistasis est défini comme « l'augmentation supposée de l'intensité d'une qualité à la suite d'être entouré par sa qualité contraire, par exemple, le chauffage soudain d'un corps chaud quand ils sont entourés par le froid » [4].
Plus tard, dans les années 1600, il était apparemment de notoriété publique que l'eau chaude gèle plus vite que le froid. En 1620, Bacon a écrit « est gelé plus facilement l'eau légèrement tiède que assez froid » [2]. tandis qu'un peu plus tard Descartes a affirmé « L'expérience montre que l'eau qui a été maintenu pendant longtemps sur le feu gèle plus vite que d'autres l'eau » [3].
En 1963, Mpemba faisait la crème glacée à l'école, ce qu'il a fait en mélangeant le lait bouillant avec du sucre. Il devait attendre le lait refroidir avant de le placer au réfrigérateur, mais dans une course pour obtenir l'espace réfrigérateur rare, a mis son lait sans le refroidir. À sa grande surprise, il a constaté que son lait chaud a gelé dans la crème glacée avant que d'autres élèves. Il a demandé à son professeur de physique pour une explication, mais on m'a dit qu'il doit avoir été confus, puisque son observation était impossible.
Mpemba croyait que son professeur à l'époque. Mais plus tard cette année-là, il a rencontré un ami qui fabriquait et vendait des glaces en ville Tanga. Son ami a dit Mpemba que lors de la crème glacée, il a mis les liquides chauds dans le réfrigérateur pour les faire congeler plus rapidement. Mpemba constaté que d'autres vendeurs de crème glacée dans Tanga avaient la même pratique.
Plus tard, quand au lycée, Mpemba a appris la loi de Newton de refroidissement, qui décrit comment les corps chauds sont censés refroidir (sous certaines hypothèses simplificatrices). Mpemba a demandé à son professeur pourquoi le lait chaud gelé avant lait froid quand il les a mis dans le congélateur. L'enseignant a répondu que Mpemba doit avoir été confondu. Lorsque Mpemba gardé en faisant valoir, l'enseignant a dit: « Tout ce que je peux dire est que est la physique de Mpemba et non la physique universelle » et à partir de là, l'enseignant et la classe critiquerait les erreurs de Mpemba en mathématiques et en physique en disant: «C'est les mathématiques Mpemba » ou «C'est la physique de Mpemba. » Mais quand Mpemba a essayé plus tard l'expérience avec de l'eau chaude et froide dans le laboratoire de biologie de son école, il a de nouveau trouvé que l'eau chaude a gelé plus tôt.
Après discussion de l'effet n'a pas été concluants. Bien que pas mal d'expériences ont reproduit l'effet [4,6-13]. il n'y a pas eu de consensus sur les causes de l'effet. Les différentes explications possibles sont discutées ci-dessus. L'effet a à plusieurs reprises un sujet de débats houleux dans le « New Scientist », un magazine de vulgarisation scientifique. Les lettres ont révélé que l'effet était connu par le monde autour Laïcs bien avant 1969. Aujourd'hui, il y a encore aucune explication bien convenue de l'effet Mpemba.
explications plus détaillées
Évaporation
Une explication de l'effet est que l'eau chaude se refroidit, il perd de la masse à l'évaporation. Avec moins de masse, le liquide doit perdre moins de chaleur pour refroidir, et il se refroidit plus vite. Avec cette explication, l'eau chaude gèle en premier lieu, mais seulement parce qu'il ya moins de geler. Calculs réalisés par Kell en 1969 [11] ont montré que si l'eau refroidie uniquement par evaporation, et on le maintient à une température uniforme, l'eau plus chaude gèle avant que l'eau de refroidissement.
Cette explication est solide, intuitive, et contribue sans aucun doute à l'effet Mpemba dans la plupart des situations physiques. Cependant, beaucoup de gens ont supposé à tort qu'il est donc « la » explication de l'effet Mpemba. Autrement dit, ils supposent que la seule raison pour laquelle l'eau chaude peut geler plus vite que le froid est à cause de l'évaporation, et que tous les résultats expérimentaux peuvent être expliqués par les calculs dans l'article de Kell. Cependant, les expériences actuellement ne portent pas cette croyance. Bien que les expériences montrent l'évaporation être importante [13]. ils ne montrent pas qu'il est le seul mécanisme derrière l'effet Mpemba. Un certain nombre d'expérimentateurs ont fait valoir que seule l'évaporation est insuffisante pour expliquer leurs résultats [5,9,12]; en particulier, l'expérience originale par Mpemba et Osborne a mesuré la masse perdue par évaporation, et l'a trouvé sensiblement moins que la quantité prédite par les calculs de Kell [5,9]. Et plus convaincante, une expérience par Wojciechowski a observé l'effet Mpemba dans un récipient fermé, où aucune masse a été perdue à l'évaporation.
Gaz dissouts
Le soutien indirect se trouve dans deux expériences qui ont vu l'effet Mpemba dans l'eau normale qui a tenu les gaz dissous, mais n'a pas réussi à le voir lors de l'utilisation de l'eau dégazée [10,14]. Cependant, tenter de mesurer la dépendance de l'enthalpie de congélation sur la température initiale et la teneur du gaz de l'eau n'a pas été concluante [14].
Un problème avec cette explication est que de nombreuses expériences pré-bouillies à la fois l'eau chaude au départ et au départ à froid, précisément pour éliminer l'effet des gaz dissous, et pourtant ils ont vu encore l'effet [5,13]. Deux expériences ont constaté que peu non systématiques faisant varier la teneur en gaz de l'eau ne fait aucune différence substantielle à l'effet Mpemba [9,12].
Convection
Comment cela explique-t l'effet Mpemba? Eh bien, l'eau chaude d'abord refroidir rapidement et développer rapidement les courants de convection et donc la température de l'eau varie grandement de la partie supérieure de l'eau au fond. D'autre part, l'eau fraîche au départ aura un rythme plus lent de refroidissement, et sera donc plus lent à développer des courants de convection importants. Ainsi, si l'on compare l'eau chaude et au départ de l'eau froide d'abord à la même température moyenne, il semble raisonnable de croire que l'eau chaude au départ aura plus courants de convection, et ont donc une vitesse de refroidissement plus rapide. Pour prendre un exemple concret, supposons que l'eau chaude au départ commence à 70 ° C, et l'eau initialement froid commence à 30 ° C. Lorsque l'eau est au départ à froid à une moyenne de 30 ° C, il est également un 30 ° C uniforme. Cependant, lorsque l'eau atteint d'abord chaude en moyenne 30 ° C, la surface de l'eau est probablement beaucoup plus chaud que 30 ° C, et il va donc perdre de la chaleur plus rapidement que l'eau initialement froid pour la même température moyenne. Obtenu que? Cette explication est assez déroutant, vous voudrez peut-être revenir en arrière et relire les deux derniers paragraphes, en accordant une attention particulière à la différence entre la température initiale, la température moyenne et la température de surface.
En tout cas, si l'argument ci-dessus est juste, alors quand nous traçons la température moyenne en fonction du temps à la fois l'eau chaude au départ et au départ à froid, puis pour des températures moyennes de l'eau chaude au départ sera un refroidissement plus rapide que l'eau froide au départ. Ainsi, la courbe de refroidissement de la reproduction ne sera pas simplement de l'eau chaude d'abord la courbe de refroidissement de l'eau froide au départ, mais baissera plus vite quand dans la même plage de température.
Alentours
surfusion
Cependant, cela aussi ne peut pas être considéré comme « la » seule explication de l'effet Mpemba. Tout d'abord, pour autant que je sache, ce résultat n'a pas été confirmé de manière indépendante. L'expérience décrite ci-dessus [12] n'avait qu'un nombre limité d'essais, de sorte que les résultats trouvés aurait pu être un coup de chance statistique.
Troisièmement, cette explication ne peut pas fonctionner dans toutes les expériences, parce que beaucoup des expérimentateurs ont choisi de ne pas regarder le temps de former un bloc complet de la glace, mais le temps pour une partie de l'eau pour atteindre 0 ° C [7,10 13] (ou peut-être le temps d'une fine couche de givre se forme sur la partie supérieure [17]). Alors que [12] dit qu'il est seulement un « véritable effet Mpemba » si l'eau chaude gèle tout d'abord, d'autres documents ont défini différemment l'effet Mpemba. Depuis le temps précis de surfusion est par nature imprévisible (voir par exemple [26]), de nombreuses expériences ont choisi de mesurer pas le temps pour que l'échantillon effectivement devenir la glace, mais le temps pour lequel terre d'équilibre de l'échantillon de l'état de la glace; soit le moment où la partie supérieure de l'échantillon a atteint 0 ° C [7,10,13]. L'argument surfusion ne concerne pas ces expériences.