De nombreux facteurs influencent quelle eau gèle plus rapidement, chaude ou froide, mais la question elle-même semble un peu étrange. L'implication, et cela est connu de la physique, est que l'eau chaude a encore besoin de temps pour refroidir jusqu'à la température de l'eau froide comparée afin de se transformer en glace. L'eau froide peut sauter cette étape et, par conséquent, gagner du temps.
Mais la réponse à la question de savoir quelle eau gèle le plus rapidement - froide ou chaude - dehors par temps froid, est connue de tout habitant des latitudes septentrionales. En fait, scientifiquement, il s’avère que dans tous les cas, l’eau froide gèle tout simplement plus rapidement.
Le professeur de physique, à qui l'écolier Erasto Mpemba s'est adressé en 1963, a pensé la même chose en lui demandant d'expliquer pourquoi le mélange froid de la future glace met plus de temps à geler qu'un mélange similaire mais chaud.
"Ce n'est pas de la physique universelle, mais une sorte de physique Mpemba"
À cette époque, l'enseignant ne faisait que rire de cela, mais Deniss Osborne, professeur de physique, qui a visité la même école où Erasto étudiait, a confirmé expérimentalement la présence d'un tel effet, bien qu'il n'y ait alors aucune explication. En 1969, un article conjoint de ces deux personnes a été publié dans une revue scientifique populaire, décrivant cet effet particulier.
Depuis lors, d'ailleurs, la question de savoir quelle eau gèle le plus rapidement - chaude ou froide - a son propre nom - l'effet Mpemba, ou paradoxe.
La question se pose depuis longtemps
Naturellement, un tel phénomène s'est produit auparavant et a été mentionné dans les travaux d'autres scientifiques. Non seulement l'écolier s'est intéressé à cette question, mais René Descartes et même Aristote y ont aussi réfléchi à un moment donné.
Mais ils n’ont commencé à chercher des approches pour résoudre ce paradoxe qu’à la fin du XXe siècle.
Conditions pour qu’un paradoxe se produise
Comme pour la crème glacée, ce n’est pas seulement l’eau plate qui gèle pendant l’expérience. Certaines conditions doivent être réunies pour commencer à débattre sur quelle eau gèle le plus rapidement : froide ou chaude. Qu’est-ce qui influence le déroulement de ce processus ?
Aujourd’hui, au XXIe siècle, plusieurs options ont été avancées pour expliquer ce paradoxe. Le fait que l'eau gèle plus rapidement, chaude ou froide, peut dépendre du fait qu'elle a un taux d'évaporation plus élevé que l'eau froide. Ainsi, son volume diminue, et à mesure que le volume diminue, le temps de congélation devient plus court que si l'on prenait le même volume initial d'eau froide.
Cela fait un moment que vous n'avez pas dégivré le congélateur.
La question de savoir quelle eau gèle plus rapidement et pourquoi cela se produit peut être influencée par la couche de neige qui peut être présente dans le congélateur du réfrigérateur utilisé pour l'expérience. Si vous prenez deux récipients de volume identique, mais que l'un d'eux contient de l'eau chaude et l'autre froide, le récipient contenant de l'eau chaude fera fondre la neige en dessous, améliorant ainsi le contact du niveau thermique avec la paroi du réfrigérateur. Un récipient d’eau froide ne peut pas faire cela. S'il n'y a pas de revêtement de neige dans le compartiment réfrigérateur, l'eau froide devrait geler plus rapidement.
Haut - bas
De plus, le phénomène selon lequel l'eau gèle plus rapidement - chaude ou froide - s'explique comme suit. Suivant certaines lois, l'eau froide commence à geler à partir des couches supérieures, tandis que l'eau chaude fait le contraire : elle commence à geler de bas en haut. Il s'avère que l'eau froide, recouverte d'une couche froide avec de la glace déjà formée par endroits, aggrave ainsi les processus de convection et de rayonnement thermique, expliquant ainsi quelle eau gèle le plus rapidement - froide ou chaude. Des photos d'expériences amateurs sont jointes, et cela est clairement visible ici.
La chaleur s'éteint, se précipite vers le haut et rencontre là une couche très refroidie. Il n’y a pas de libre parcours pour le rayonnement thermique, le processus de refroidissement devient donc difficile. L’eau chaude n’a absolument aucun obstacle de ce type sur son chemin. Ce qui gèle plus rapidement - froid ou chaud, dont dépend le résultat probable, vous pouvez élargir la réponse en disant que toute eau contient certaines substances dissoutes.
Les impuretés dans l'eau comme facteur influençant le résultat
Si vous ne trichez pas et utilisez de l'eau de même composition, où les concentrations de certaines substances sont identiques, alors l'eau froide devrait geler plus rapidement. Mais si une situation se produit où les éléments chimiques dissous ne sont présents que dans l'eau chaude et que l'eau froide n'en contient pas, alors l'eau chaude a la possibilité de geler plus tôt. Cela s'explique par le fait que les substances dissoutes dans l'eau créent des centres de cristallisation, et avec un petit nombre de ces centres, la transformation de l'eau à l'état solide est difficile. Il est même possible que l’eau soit surfondue, c’est-à-dire qu’à des températures inférieures à zéro, elle soit à l’état liquide.
Mais toutes ces versions, apparemment, ne convenaient pas complètement aux scientifiques et ils ont continué à travailler sur cette question. En 2013, une équipe de chercheurs de Singapour a déclaré avoir résolu un mystère séculaire.
Un groupe de scientifiques chinois affirme que le secret de cet effet réside dans la quantité d'énergie stockée entre les molécules d'eau dans ses liaisons, appelées liaisons hydrogène.
La réponse des scientifiques chinois
Ce qui suit est une information, pour comprendre laquelle vous devez avoir des connaissances en chimie afin de comprendre quelle eau gèle le plus rapidement - chaude ou froide. Comme on le sait, il est constitué de deux atomes de H (hydrogène) et d’un atome de O (oxygène), maintenus ensemble par des liaisons covalentes.
Mais les atomes d’hydrogène d’une molécule sont également attirés par les molécules voisines, par leur composant oxygène. Ces liaisons sont appelées liaisons hydrogène.
Il convient de rappeler que dans le même temps, les molécules d’eau ont un effet répulsif les unes sur les autres. Les scientifiques ont noté que lorsque l'eau est chauffée, la distance entre ses molécules augmente, ce qui est facilité par les forces répulsives. Il s’avère qu’en occupant la même distance entre les molécules à froid, on peut dire qu’elles s’étirent et qu’elles disposent d’une plus grande réserve d’énergie. C'est cette réserve d'énergie qui est libérée lorsque les molécules d'eau commencent à se rapprocher les unes des autres, c'est-à-dire qu'un refroidissement se produit. Il s'avère qu'une plus grande réserve d'énergie dans l'eau chaude et sa plus grande libération lors du refroidissement à des températures inférieures à zéro se produisent plus rapidement que dans l'eau froide, qui dispose d'une plus petite réserve d'énergie. Alors, quelle eau gèle le plus rapidement : froide ou chaude ? Dans la rue et en laboratoire, le paradoxe de Mpemba devrait se produire et l'eau chaude devrait se transformer plus rapidement en glace.
Mais la question reste ouverte
Il n'y a qu'une confirmation théorique de cette solution - tout cela est écrit dans de belles formules et semble plausible. Mais lorsque les données expérimentales selon lesquelles l'eau gèle plus rapidement - chaude ou froide - sont mises en pratique et que leurs résultats sont présentés, alors la question du paradoxe de Mpemba peut être considérée comme close.
Effet Mpemba(Paradoxe de Mpemba) - un paradoxe selon lequel l'eau chaude, dans certaines conditions, gèle plus rapidement que l'eau froide, même si elle doit dépasser la température de l'eau froide en cours de congélation. Ce paradoxe est un fait expérimental qui contredit les idées habituelles selon lesquelles, dans les mêmes conditions, un corps plus chauffé met plus de temps à se refroidir jusqu'à une certaine température qu'un corps moins chauffé à se refroidir à la même température.
Ce phénomène a été remarqué à une époque par Aristote, Francis Bacon et René Descartes, mais ce n'est qu'en 1963 que l'écolier tanzanien Erasto Mpemba a découvert qu'un mélange de glace chaud gèle plus vite qu'un mélange froid.
Étudiant au lycée Magambi en Tanzanie, Erasto Mpemba a effectué des travaux pratiques de cuisinier. Il devait faire de la glace maison : faire bouillir le lait, y dissoudre le sucre, le refroidir à température ambiante, puis le mettre au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n’était pas un élève particulièrement assidu et a tardé à terminer la première partie de la tâche. Craignant de ne pas pouvoir arriver à la fin du cours, il a mis le lait encore chaud au réfrigérateur. À sa grande surprise, il a gelé encore plus tôt que le lait de ses camarades, préparé selon la technologie donnée.
Après cela, Mpemba expérimenta non seulement avec du lait, mais aussi avec de l'eau ordinaire. En tout cas, déjà étudiant à l'école secondaire de Mkwava, il a demandé au professeur Dennis Osborne du Collège universitaire de Dar Es Salaam (invité par le directeur de l'école pour donner une conférence de physique aux étudiants) spécifiquement sur l'eau : « Si vous prenez deux récipients identiques avec des volumes d'eau égaux pour que dans l'un l'eau ait une température de 35°C et dans l'autre - 100°C, et mettez-les au congélateur, puis dans le second l'eau gèlera plus rapidement. Pourquoi? Osborne s'est intéressé à cette question et bientôt, en 1969, lui et Mpemba ont publié les résultats de leurs expériences dans la revue Physics Education. Depuis lors, l'effet qu'ils ont découvert est appelé Effet Mpemba.
Jusqu’à présent, personne ne sait exactement comment expliquer cet effet étrange. Les scientifiques n’ont pas une seule version, bien qu’il en existe plusieurs. Tout dépend de la différence entre les propriétés de l'eau chaude et de l'eau froide, mais on ne sait pas encore quelles propriétés jouent un rôle dans ce cas : la différence de surfusion, d'évaporation, de formation de glace, de convection ou l'effet des gaz liquéfiés sur l'eau à températures différentes.
Le paradoxe de l'effet Mpemba est que le temps pendant lequel un corps se refroidit jusqu'à la température ambiante devrait être proportionnel à la différence de température entre ce corps et l'environnement. Cette loi a été établie par Newton et a depuis été maintes fois confirmée dans la pratique. Dans cet effet, l'eau à une température de 100°C refroidit à une température de 0°C plus rapidement que la même quantité d'eau à une température de 35°C.
Cependant, cela n'implique pas encore de paradoxe, puisque l'effet Mpemba peut être expliqué dans le cadre de la physique connue. Voici quelques explications sur l’effet Mpemba :
Évaporation
L'eau chaude s'évapore plus rapidement du récipient, réduisant ainsi son volume, et un plus petit volume d'eau à la même température gèle plus rapidement. L'eau chauffée à 100 C perd 16 % de sa masse lorsqu'elle est refroidie à 0 C.
L'effet d'évaporation est un double effet. Premièrement, la masse d’eau nécessaire au refroidissement diminue. Et deuxièmement, la température diminue du fait que la chaleur d'évaporation de la transition de la phase eau à la phase vapeur diminue.
Différence de température
Du fait que la différence de température entre l'eau chaude et l'air froid est plus grande, l'échange thermique dans ce cas est plus intense et l'eau chaude refroidit plus rapidement.
Hypothermie
Lorsque l’eau refroidit en dessous de 0°C, elle ne gèle pas toujours. Dans certaines conditions, il peut subir une surfusion, continuant à rester liquide à des températures inférieures à zéro. Dans certains cas, l'eau peut rester liquide même à une température de –20 C.
La raison de cet effet est que pour que les premiers cristaux de glace commencent à se former, des centres de formation de cristaux sont nécessaires. S'ils ne sont pas présents dans l'eau liquide, la surfusion se poursuivra jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que les cristaux se forment spontanément. Lorsqu’ils commencent à se former dans le liquide surfondu, ils commencent à croître plus rapidement, formant de la neige fondante, qui gèlera pour former de la glace.
L'eau chaude est la plus sensible à l'hypothermie car son chauffage élimine les gaz dissous et les bulles, qui à leur tour peuvent servir de centres de formation de cristaux de glace.
Pourquoi l’hypothermie fait-elle geler l’eau chaude plus rapidement ? Dans le cas d’eau froide non surfondue, voici ce qui se produit. Dans ce cas, une fine couche de glace se formera à la surface du navire. Cette couche de glace agira comme un isolant entre l’eau et l’air froid et empêchera une évaporation supplémentaire. Dans ce cas, le taux de formation de cristaux de glace sera inférieur. Dans le cas de l’eau chaude soumise à une surfusion, l’eau surfondue n’a pas de couche superficielle protectrice de glace. Par conséquent, il perd de la chaleur beaucoup plus rapidement grâce au toit ouvert.
Lorsque le processus de surfusion se termine et que l'eau gèle, beaucoup plus de chaleur est perdue et donc plus de glace se forme.
De nombreux chercheurs sur cet effet considèrent l'hypothermie comme le principal facteur dans le cas de l'effet Mpemba.
Convection
L'eau froide commence à geler par le haut, aggravant ainsi les processus de rayonnement thermique et de convection, et donc la perte de chaleur, tandis que l'eau chaude commence à geler par le bas.
Cet effet s'explique par une anomalie de densité de l'eau. L'eau a une densité maximale à 4 °C. Si vous refroidissez l'eau à 4 °C et la mettez à une température plus basse, la couche superficielle d'eau gèlera plus rapidement. Parce que cette eau est moins dense que l’eau à une température de 4°C, elle restera en surface, formant une fine couche froide. Dans ces conditions, une fine couche de glace se formera à la surface de l’eau en peu de temps, mais cette couche de glace servira d’isolant, protégeant les couches d’eau inférieures, qui resteront à une température de 4 C. Par conséquent, le processus de refroidissement ultérieur sera plus lent.
Dans le cas de l’eau chaude, la situation est complètement différente. La couche d’eau superficielle se refroidira plus rapidement en raison de l’évaporation et d’une plus grande différence de température. De plus, les couches d’eau froide sont plus denses que les couches d’eau chaude, de sorte que la couche d’eau froide descendra, remontant la couche d’eau chaude à la surface. Cette circulation d'eau assure une baisse rapide de la température.
Mais pourquoi ce processus n’atteint-il pas un point d’équilibre ? Pour expliquer l'effet Mpemba de ce point de vue de la convection, il faudrait supposer que les couches d'eau froide et chaude sont séparées et que le processus de convection lui-même se poursuit après que la température moyenne de l'eau descende en dessous de 4 C.
Cependant, il n’existe aucune preuve expérimentale pour étayer cette hypothèse selon laquelle les couches d’eau froide et chaude sont séparées par le processus de convection.
Gaz dissous dans l'eau
L'eau contient toujours des gaz dissous - de l'oxygène et du dioxyde de carbone. Ces gaz ont la capacité d’abaisser le point de congélation de l’eau. Lorsque l’eau est chauffée, ces gaz sont libérés de l’eau car leur solubilité dans l’eau est plus faible à haute température. Par conséquent, lorsque l’eau chaude refroidit, elle contient toujours moins de gaz dissous que l’eau froide non chauffée. Par conséquent, le point de congélation de l’eau chauffée est plus élevé et celle-ci gèle plus rapidement. Ce facteur est parfois considéré comme le principal facteur expliquant l’effet Mpemba, bien qu’il n’existe aucune donnée expérimentale confirmant ce fait.
Conductivité thermique
Ce mécanisme peut jouer un rôle important lorsque l'eau est placée dans le compartiment réfrigérateur-congélateur dans de petits récipients. Dans ces conditions, il a été observé qu'un récipient d'eau chaude faisait fondre la glace présente dans le congélateur en dessous, améliorant ainsi le contact thermique avec la paroi du congélateur et la conductivité thermique. En conséquence, la chaleur est évacuée plus rapidement d’un récipient d’eau chaude que d’un récipient d’eau froide. À son tour, un récipient contenant de l’eau froide ne fait pas fondre la neige en dessous.
Toutes ces conditions (ainsi que d'autres) ont été étudiées dans de nombreuses expériences, mais une réponse claire à la question - laquelle d'entre elles permet de reproduire à cent pour cent l'effet Mpemba - n'a jamais été obtenue.
Par exemple, en 1995, le physicien allemand David Auerbach a étudié l'effet de l'eau en surfusion sur cet effet. Il a découvert que l'eau chaude, atteignant un état de surfusion, gèle à une température plus élevée que l'eau froide, et donc plus rapidement que cette dernière. Mais l'eau froide atteint un état de surfusion plus rapidement que l'eau chaude, compensant ainsi le décalage précédent.
De plus, les résultats d'Auerbach contredisaient les données précédentes selon lesquelles l'eau chaude était capable d'obtenir une surfusion plus importante grâce au nombre réduit de centres de cristallisation. Lorsque l'eau est chauffée, les gaz qui y sont dissous en sont éliminés et lorsqu'elle est bouillie, certains sels qui y sont dissous précipitent.
Pour l'instant, une seule chose peut être affirmée : la reproduction de cet effet dépend largement des conditions dans lesquelles l'expérience est réalisée. Précisément parce qu’il n’est pas toujours reproduit.
O.V. Mosin
Littérairesources:
"L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. Pourquoi fait-elle cela?", Jearl Walker dans The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, non. 3, pages 246-257 ; Septembre 1977.
"La congélation de l'eau chaude et froide", G.S. Kell dans American Journal of Physics, Vol. 37, non. 5, pages 564-565 ; Mai 1969.
"La surfusion et l'effet Mpemba", David Auerbach, dans American Journal of Physics, Vol. 63, non. 10, pages 882-885 ; Octobre 1995.
"L'effet Mpemba : les temps de congélation de l'eau chaude et froide", Charles A. Knight, dans American Journal of Physics, Vol. 64, non. 5, p. 524 ; Mai 1996.
Il semble évident que l’eau froide gèle plus rapidement que l’eau chaude, car à conditions égales, l’eau chaude met plus de temps à refroidir puis à geler. Cependant, des milliers d'années d'observations ainsi que des expériences modernes ont montré que l'inverse est également vrai : dans certaines conditions, l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. La chaîne Sciencium Science Channel explique ce phénomène :
Comme expliqué dans la vidéo ci-dessus, le phénomène selon lequel l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide est connu sous le nom d'effet Mpemba, du nom d'Erasto Mpemba, un étudiant tanzanien qui préparait des glaces dans le cadre d'un projet scolaire en 1963. Les élèves devaient porter à ébullition un mélange de crème et de sucre, le laisser refroidir, puis le mettre au congélateur.
Au lieu de cela, Erasto a mis son mélange immédiatement, chaud, sans attendre qu'il refroidisse. En conséquence, après 1,5 heures, son mélange était déjà congelé, mais pas les mélanges des autres étudiants. Intéressé par le phénomène, Mpemba a commencé à étudier la question avec le professeur de physique Denis Osborne et, en 1969, ils ont publié un article affirmant que l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Il s'agissait de la première étude de ce type évaluée par des pairs, mais le phénomène lui-même est mentionné dans les articles d'Aristote, remontant au 4ème siècle avant JC. e. Francis Bacon et Descartes ont également constaté ce phénomène dans leurs études.
La vidéo répertorie plusieurs options pour expliquer ce qui se passe :
- Le givre est un diélectrique, et donc l'eau froide glaciale emmagasine mieux la chaleur qu'un verre chaud, qui fait fondre la glace lorsqu'il entre en contact avec lui.
- L'eau froide contient plus de gaz dissous que l'eau chaude, et les chercheurs pensent que cela pourrait jouer un rôle dans la vitesse de refroidissement, bien que l'on ne sache pas encore clairement comment.
- L'eau chaude perd plus de molécules d'eau par évaporation, il en reste donc moins à geler.
- L’eau chaude peut se refroidir plus rapidement en raison de l’augmentation des courants convectifs. Ces courants se produisent parce que l’eau contenue dans le verre refroidit d’abord à la surface et sur les côtés, provoquant la chute de l’eau froide et la montée de l’eau chaude. Dans un verre chaud, les courants convectifs sont plus actifs, ce qui peut affecter la vitesse de refroidissement.
Cependant, en 2016, une étude soigneusement contrôlée a montré le contraire : l’eau chaude gelait beaucoup plus lentement que l’eau froide. Dans le même temps, les scientifiques ont remarqué que changer l'emplacement du thermocouple - un dispositif qui détermine les changements de température - d'un seul centimètre conduit à l'apparition de l'effet Mpemba. Une étude d'autres études similaires a montré que dans tous les cas où cet effet était observé, il y avait un déplacement du thermocouple de moins d'un centimètre.
L’une de mes matières préférées à l’école était la chimie. Un jour, un professeur de chimie nous a confié une tâche très étrange et difficile. Il nous a donné une liste de questions auxquelles nous devions répondre en termes de chimie. Nous avons eu plusieurs jours pour cette tâche et avons été autorisés à utiliser les bibliothèques et autres sources d'information disponibles. L'une de ces questions concernait le point de congélation de l'eau. Je ne me souviens pas exactement du son de la question, mais il s'agissait du fait que si vous prenez deux seaux en bois de même taille, l'un avec de l'eau chaude, l'autre avec de l'eau froide (avec une température précisément indiquée), et que vous les placez dans un environnement avec une certaine température, lequel va-t-il geler plus vite ? Bien sûr, la réponse s'est immédiatement imposée : un seau d'eau froide, mais nous avons pensé que c'était trop simple. Mais cela ne suffisait pas pour donner une réponse complète ; il fallait le prouver d’un point de vue chimique. Malgré toutes mes réflexions et recherches, je n’ai pas pu parvenir à une conclusion logique. J'ai même décidé de sauter cette leçon ce jour-là, donc je n'ai jamais appris la solution à cette énigme.
Les années ont passé et j’ai appris de nombreux mythes quotidiens sur le point d’ébullition et le point de congélation de l’eau, et un mythe disait : « l’eau chaude gèle plus vite ». J'ai consulté de nombreux sites Web, mais les informations étaient trop contradictoires. Et ce n’étaient que des opinions sans fondement d’un point de vue scientifique. Et j'ai décidé de mener ma propre expérience. Comme je ne trouvais pas de seaux en bois, j'ai utilisé le congélateur, la cuisinière, un peu d'eau et un thermomètre numérique. Je vous parlerai des résultats de mon expérience un peu plus tard. Tout d’abord, je vais partager avec vous quelques arguments intéressants sur l’eau :
L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. La plupart des experts affirment que l’eau froide gèle plus rapidement que l’eau chaude. Mais un phénomène amusant (appelé effet Memba), pour des raisons inconnues, prouve le contraire : l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. L'une des explications possibles est le processus d'évaporation : si de l'eau très chaude est placée dans un environnement froid, l'eau commencera à s'évaporer (la quantité d'eau restante gèlera plus rapidement). Et selon les lois de la chimie, ce n'est pas du tout un mythe, et c'est très probablement ce que le professeur voulait entendre de nous.
L'eau bouillie gèle plus rapidement que l'eau du robinet. Malgré l’explication précédente, certains experts soutiennent que l’eau bouillie refroidie à température ambiante devrait geler plus rapidement car l’ébullition réduit la quantité d’oxygène.
L'eau froide bout plus vite que l'eau chaude. Si l’eau chaude gèle plus vite, alors peut-être que l’eau froide bout plus vite ! Cela est contraire au bon sens et les scientifiques affirment que cela ne peut tout simplement pas être le cas. L’eau chaude du robinet devrait bouillir plus vite que l’eau froide. Mais faire bouillir de l’eau chaude n’économise pas d’énergie. Vous pouvez utiliser moins de gaz ou de lumière, mais le chauffe-eau utilisera la même quantité d’énergie nécessaire pour chauffer l’eau froide. (Avec l'énergie solaire, la situation est un peu différente). En raison du chauffage de l'eau par le chauffe-eau, des sédiments peuvent apparaître, de sorte que l'eau mettra plus de temps à chauffer.
Si vous ajoutez du sel à l'eau, elle bouillira plus vite. Le sel augmente le point d'ébullition (et abaisse donc le point de congélation - c'est pourquoi certaines ménagères ajoutent un peu de gros sel à leur glace). Mais dans ce cas, une autre question nous intéresse : combien de temps l'eau va bouillir et si le point d'ébullition dans ce cas peut dépasser 100°C). Malgré ce que disent les livres de cuisine, les scientifiques affirment que la quantité de sel que nous ajoutons à l’eau bouillante n’est pas suffisante pour affecter le temps ou la température d’ébullition.
Mais voici ce que j'ai obtenu :
Eau froide : J'ai utilisé trois verres de 100 ml d'eau purifiée : un verre à température ambiante (72°F/22°C), un avec de l'eau chaude (115°F/46°C) et un avec de l'eau bouillie (212°C). °F/100°C). J'ai placé les trois verres au congélateur à -18°C. Et comme je savais que l'eau ne se transformerait pas immédiatement en glace, j'ai déterminé le degré de congélation à l'aide d'un « flotteur en bois ». Lorsque le bâton placé au centre du verre ne touchait plus le fond, je considérais que l'eau était gelée. J'ai vérifié les lunettes toutes les cinq minutes. Et quels sont mes résultats ? L'eau du premier verre a gelé au bout de 50 minutes. L'eau chaude a gelé après 80 minutes. Bouilli - après 95 minutes. Mon constat : Compte tenu des conditions du congélateur et de l'eau que j'ai utilisée, je n'ai pas pu reproduire l'effet Memba.
J'ai également tenté cette expérience avec de l'eau préalablement bouillie et refroidie à température ambiante. Il a gelé en 60 minutes – il a quand même fallu plus de temps que l’eau froide pour geler.
Eau bouillie : j'ai pris un litre d'eau à température ambiante et je l'ai mis sur le feu. Il a bouilli en 6 minutes. Je l'ai ensuite refroidi à température ambiante et je l'y ai ajouté pendant qu'il était chaud. Avec le même feu, l'eau chaude a bouilli en 4 heures et 30 minutes. Conclusion : Comme prévu, l'eau chaude bout beaucoup plus vite.
Eau bouillie (avec sel) : j'ai ajouté 2 grosses cuillères à soupe de sel de table pour 1 litre d'eau. Il a bouilli en 6 minutes 33 secondes et, comme le montre le thermomètre, il a atteint une température de 102°C. Sans aucun doute, le sel affecte le point d’ébullition, mais pas beaucoup. Conclusion : le sel dans l'eau n'affecte pas beaucoup la température et le temps d'ébullition.
J'avoue honnêtement que ma cuisine peut difficilement être qualifiée de laboratoire, et peut-être que mes conclusions contredisent la réalité. Mon congélateur ne congèle peut-être pas les aliments de manière uniforme. Mes verres en verre étaient peut-être de forme irrégulière, etc. Mais peu importe ce qui se passe dans le laboratoire, lorsqu'il s'agit de congeler ou de faire bouillir de l'eau dans la cuisine, le plus important est le bon sens.
lien avec des faits intéressants sur l'eautout sur l'eau
comme suggéré sur le forum.ixbt.com, cet effet (l'effet de l'eau chaude qui gèle plus vite que l'eau froide) est appelé « effet Aristote-Mpemba »
L'eau est l'un des liquides les plus étonnants au monde, doté de propriétés inhabituelles. Par exemple, la glace, un état solide du liquide, a une densité inférieure à celle de l’eau elle-même, ce qui a rendu l’émergence et le développement de la vie sur Terre largement possibles. De plus, dans le monde pseudo-scientifique et scientifique, il y a des discussions sur l'eau qui gèle le plus rapidement - chaude ou froide. Quiconque peut prouver que le liquide chaud gèle plus rapidement dans certaines conditions et justifier scientifiquement sa solution recevra une récompense de 1 000 £ de la British Royal Society of Chemists.
Arrière-plan
Le fait que, dans certaines conditions, l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide a été remarqué dès le Moyen Âge. Francis Bacon et René Descartes ont consacré beaucoup d'efforts à expliquer ce phénomène. Cependant, du point de vue de l'ingénierie thermique classique, ce paradoxe ne peut pas être expliqué, et ils ont essayé de le taire timidement. L’impulsion pour la poursuite du débat a été une histoire quelque peu curieuse arrivée à l’écolier tanzanien Erasto Mpemba en 1963. Un jour, lors d'un cours de préparation de desserts dans une école de cuisine, le garçon, distrait par d'autres choses, n'a pas eu le temps de refroidir le mélange de glace à temps et a mis une solution chaude de sucre dans le lait au congélateur. À sa grande surprise, le produit a refroidi un peu plus rapidement que celui de ses camarades étudiants qui ont observé le régime de température pour la préparation de la glace.
Essayant de comprendre l'essence du phénomène, le garçon s'est tourné vers un professeur de physique qui, sans entrer dans les détails, a ridiculisé ses expériences culinaires. Cependant, Erasto se distinguait par une ténacité enviable et poursuivit ses expériences non pas sur le lait, mais sur l'eau. Il est devenu convaincu que dans certains cas, l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide.
Entré à l'Université de Dar es Salaam, Erasto Mpembe a assisté à une conférence du professeur Dennis G. Osborne. Après son achèvement, l'étudiant a intrigué le scientifique avec le problème du taux de congélation de l'eau en fonction de sa température. D.G. Osborne a ridiculisé la question même, déclarant avec aplomb que tout étudiant pauvre sait que l'eau froide gèle plus rapidement. Cependant, la ténacité naturelle du jeune homme s’est fait sentir. Il a fait un pari avec le professeur en lui proposant de réaliser un test expérimental ici même, en laboratoire. Erasto a placé deux récipients d'eau au congélateur, l'un à 95°F (35°C) et l'autre à 212°F (100°C). Imaginez la surprise du professeur et des « fans » environnants lorsque l'eau du deuxième récipient a gelé plus rapidement. Depuis, ce phénomène est appelé le « paradoxe de Mpemba ».
Cependant, à ce jour, il n’existe aucune hypothèse théorique cohérente expliquant le « paradoxe de Mpemba ». On ne sait pas quels facteurs externes, la composition chimique de l'eau, la présence de gaz et de minéraux dissous, influencent la vitesse de congélation des liquides à différentes températures. Le paradoxe de « l'effet Mpemba » est qu'il contredit l'une des lois découvertes par I. Newton, selon laquelle le temps de refroidissement de l'eau est directement proportionnel à la différence de température entre le liquide et l'environnement. Et si tous les autres liquides obéissent pleinement à cette loi, l'eau constitue dans certains cas une exception.
Pourquoi l’eau chaude gèle-t-elle plus vite ?T
Il existe plusieurs versions expliquant pourquoi l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Les principaux sont :
- l'eau chaude s'évapore plus rapidement, tandis que son volume diminue et qu'un plus petit volume de liquide refroidit plus rapidement - lorsque l'eau de refroidissement passe de + 100°C à 0°C, les pertes volumétriques à pression atmosphérique atteignent 15 % ;
- plus la différence de température est grande, plus la différence de température est grande, plus l'intensité de l'échange thermique entre le liquide et l'environnement est élevée, de sorte que la perte de chaleur de l'eau bouillante se produit plus rapidement ;
- lorsque l'eau chaude refroidit, une croûte de glace se forme à sa surface, empêchant le liquide de geler complètement et de s'évaporer ;
- à des températures d'eau élevées, un mélange par convection se produit, réduisant le temps de congélation ;
- Les gaz dissous dans l'eau abaissent le point de congélation, éliminant ainsi l'énergie nécessaire à la formation des cristaux - il n'y a pas de gaz dissous dans l'eau chaude.
Toutes ces conditions ont été testées expérimentalement à plusieurs reprises. Le scientifique allemand David Auerbach a notamment découvert que la température de cristallisation de l’eau chaude est légèrement supérieure à celle de l’eau froide, ce qui permet à la première de geler plus rapidement. Cependant, plus tard, ses expériences ont été critiquées et de nombreux scientifiques sont convaincus que «l'effet Mpemba», qui détermine quelle eau gèle le plus rapidement - chaude ou froide, ne peut être reproduit que dans certaines conditions, que personne n'a recherchées et précisées jusqu'à présent.
