21.11.2017 11.10.2018 Alexandre Firtsev
« Quelle eau gèle plus vite, froide ou chaude ?« - essayez de poser une question à vos amis, la plupart d'entre eux répondront probablement que l'eau froide gèle plus rapidement - et ils feront une erreur.
En effet, si vous placez simultanément dans le congélateur deux récipients de même forme et de même volume, dont l'un contient de l'eau froide et l'autre chaude, alors c'est l'eau chaude qui gèlera plus rapidement.
Une telle affirmation peut paraître absurde et déraisonnable. Si vous suivez la logique, l'eau chaude doit d'abord refroidir à la température de l'eau froide, et l'eau froide devrait déjà se transformer en glace à ce moment-là.
Alors pourquoi l’eau chaude bat-elle l’eau froide avant de geler ? Essayons de le comprendre.
Histoire des observations et des recherches
Les gens observent cet effet paradoxal depuis l’Antiquité, mais personne n’y attachait beaucoup d’importance. Ainsi, Arestotle, ainsi que René Descartes et Francis Bacon, ont noté dans leurs notes des incohérences dans le taux de congélation de l'eau froide et chaude. Un phénomène inhabituel apparaît souvent dans la vie quotidienne.
Pendant longtemps, le phénomène n’a été étudié d’aucune manière et n’a pas suscité beaucoup d’intérêt parmi les scientifiques.
L'étude de cet effet inhabituel a commencé en 1963, lorsqu'un écolier tanzanien curieux, Erasto Mpemba, a remarqué que le lait chaud pour glace gelait plus rapidement que le lait froid. Dans l'espoir d'obtenir une explication sur les raisons de cet effet inhabituel, le jeune homme a interrogé son professeur de physique à l'école. Cependant, le professeur s'est contenté de se moquer de lui.
Plus tard, Mpemba a répété l'expérience, mais dans son expérience, il n'a plus utilisé de lait, mais de l'eau, et l'effet paradoxal s'est répété à nouveau.
6 ans plus tard, en 1969, Mpemba posait cette question au professeur de physique Dennis Osborn, venu dans son école. Le professeur s’est intéressé à l’observation du jeune homme et a mené une expérience qui a confirmé la présence de l’effet, mais les raisons de ce phénomène n’ont pas été établies.
Depuis, le phénomène est appelé Effet Mpemba.
Tout au long de l’histoire des observations scientifiques, de nombreuses hypothèses ont été avancées sur les causes du phénomène.
Ainsi, en 2012, la British Royal Society of Chemistry annoncerait un concours d'hypothèses expliquant l'effet Mpemba. Des scientifiques du monde entier ont participé au concours ; au total, 22 000 articles scientifiques ont été enregistrés. Malgré un nombre aussi impressionnant d’articles, aucun d’entre eux n’a clarifié le paradoxe de Mpemba.
La version la plus courante était que l'eau chaude gèle plus rapidement parce qu'elle s'évapore simplement plus rapidement, son volume diminue et, à mesure que le volume diminue, sa vitesse de refroidissement augmente. La version la plus courante a finalement été réfutée car une expérience a été menée dans laquelle l'évaporation a été exclue, mais l'effet a néanmoins été confirmé.
D'autres scientifiques pensaient que la cause de l'effet Mpemba était l'évaporation des gaz dissous dans l'eau. À leur avis, pendant le processus de chauffage, les gaz dissous dans l'eau s'évaporent, ce qui leur confère une densité plus élevée que l'eau froide. Comme on le sait, une augmentation de la densité entraîne une modification des propriétés physiques de l'eau (une augmentation de la conductivité thermique), et donc une augmentation de la vitesse de refroidissement.
De plus, un certain nombre d'hypothèses ont été avancées décrivant le taux de circulation de l'eau en fonction de la température. De nombreuses études ont tenté d'établir la relation entre le matériau des récipients dans lesquels se trouvait le liquide. De nombreuses théories semblaient très plausibles, mais elles n'ont pas pu être confirmées scientifiquement en raison du manque de données initiales, de contradictions dans d'autres expériences ou parce que les facteurs identifiés n'étaient tout simplement pas comparables à la vitesse de refroidissement de l'eau. Certains scientifiques, dans leurs travaux, ont remis en question l'existence de cet effet.
En 2013, des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang à Singapour affirmaient avoir résolu le mystère de l’effet Mpemba. Selon leurs recherches, la raison de ce phénomène réside dans le fait que la quantité d'énergie stockée dans les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau froide et chaude est très différente.
Les méthodes de modélisation informatique ont montré les résultats suivants : plus la température de l'eau est élevée, plus la distance entre les molécules est grande du fait que les forces répulsives augmentent. Par conséquent, les liaisons hydrogène des molécules s’étirent, stockant ainsi plus d’énergie. Une fois refroidies, les molécules commencent à se rapprocher les unes des autres, libérant l'énergie des liaisons hydrogène. Dans ce cas, la libération d'énergie s'accompagne d'une diminution de la température.
En octobre 2017, des physiciens espagnols, au cours d'une autre étude, ont découvert que le fait de sortir une substance de son équilibre (fort échauffement avant un fort refroidissement) joue un rôle majeur dans la formation de cet effet. Ils ont déterminé les conditions dans lesquelles la probabilité que l'effet se produise est maximale. En outre, des scientifiques espagnols ont confirmé l’existence de l’effet Mpemba inverse. Ils ont découvert que lorsqu’il est chauffé, un échantillon plus froid peut atteindre une température élevée plus rapidement qu’un échantillon plus chaud.
Malgré des informations complètes et de nombreuses expériences, les scientifiques ont l'intention de continuer à étudier cet effet.
L'effet Mpemba dans la vraie vie
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi, en hiver, la patinoire est remplie d'eau chaude et non d'eau froide ? Comme vous l'avez déjà compris, ils font cela parce qu'une patinoire remplie d'eau chaude gèlera plus rapidement que si elle était remplie d'eau froide. Pour la même raison, de l'eau chaude est versée dans les toboggans des villes de glace en hiver.
Ainsi, la connaissance de l’existence du phénomène permet de gagner du temps lors de la préparation des sites de sports d’hiver.
De plus, l’effet Mpemba est parfois utilisé dans l’industrie pour réduire le temps de congélation de produits, substances et matériaux contenant de l’eau.
De nombreux chercheurs ont proposé et proposent leurs propres versions expliquant pourquoi l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Cela semblerait paradoxal : après tout, pour geler, l'eau chaude doit d'abord être refroidie. Cependant, le fait demeure un fait et les scientifiques l'expliquent de différentes manières.
Versions majeures
À l'heure actuelle, il existe plusieurs versions qui expliquent ce fait :
- L’eau chaude s’évaporant plus rapidement, son volume diminue. Et la congélation d'une plus petite quantité d'eau à la même température se produit plus rapidement.
- Le compartiment congélateur du réfrigérateur est doté d'une doublure anti-neige. Un récipient contenant de l'eau chaude fait fondre la neige en dessous. Cela améliore le contact thermique avec le congélateur.
- La congélation de l’eau froide, contrairement à l’eau chaude, commence par le haut. Dans le même temps, la convection et le rayonnement thermique et, par conséquent, les pertes de chaleur s'aggravent.
- L'eau froide contient des centres de cristallisation - des substances qui y sont dissoutes. Si leur teneur dans l'eau est faible, le givrage est difficile, même si en même temps une surfusion est possible - lorsqu'à des températures inférieures à zéro, il a un état liquide.
Bien qu'en toute honnêteté, nous puissions dire que cet effet n'est pas toujours observé. Très souvent, l’eau froide gèle plus vite que l’eau chaude.
A quelle température l'eau gèle
Pourquoi l’eau gèle-t-elle ? Il contient une certaine quantité de particules minérales ou organiques. Il peut s'agir par exemple de très petites particules de sable, de poussière ou d'argile. À mesure que la température de l’air diminue, ces particules constituent les centres autour desquels se forment les cristaux de glace.
Le rôle de noyaux de cristallisation peut également être joué par des bulles d'air et des fissures dans le récipient contenant de l'eau. La vitesse du processus de transformation de l'eau en glace est largement influencée par le nombre de ces centres - s'il y en a beaucoup, le liquide gèle plus rapidement. Dans des conditions normales, avec une pression atmosphérique normale, l'eau passe du liquide à l'état solide à une température de 0 degré.
L'essence de l'effet Mpemba
L'effet Mpemba est un paradoxe dont l'essence est que dans certaines circonstances, l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Ce phénomène a été remarqué par Aristote et Descartes. Cependant, ce n’est qu’en 1963 qu’Erasto Mpemba, un écolier tanzanien, a découvert que la glace chaude se congèle plus rapidement que la glace froide. Il a tiré cette conclusion alors qu’il effectuait un devoir de cuisine.
Il devait dissoudre le sucre dans le lait bouilli et, après l'avoir refroidi, le placer au réfrigérateur pour le congeler. Apparemment, Mpemba n’a pas été particulièrement diligent et a commencé tardivement à terminer la première partie de la tâche. Par conséquent, il n’a pas attendu que le lait refroidisse et l’a mis chaud au réfrigérateur. Il a été très surpris lorsqu'il a gelé encore plus vite que celui de ses camarades de classe, qui effectuaient le travail conformément à la technologie donnée.
Ce fait intéressa beaucoup le jeune homme et il commença des expériences avec de l'eau claire. En 1969, la revue Physics Education a publié les résultats des recherches menées par Mpemba et le professeur Dennis Osborne de l'Université de Dar Es Salaam. L’effet qu’ils ont décrit a reçu le nom de Mpemba. Cependant, même aujourd’hui, il n’existe aucune explication claire à ce phénomène. Tous les scientifiques conviennent que le rôle principal appartient aux différences dans les propriétés de l'eau réfrigérée et chaude, mais on ne sait pas exactement quoi.
Version Singapour
Des physiciens de l'une des universités de Singapour se sont également intéressés à la question de savoir quelle eau gèle le plus rapidement : chaude ou froide ? Une équipe de chercheurs dirigée par Xi Zhang a expliqué ce paradoxe précisément par les propriétés de l'eau. Tout le monde connaît la composition de l'eau depuis l'école : un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. L'oxygène éloigne dans une certaine mesure les électrons de l'hydrogène, la molécule est donc une certaine sorte d'« aimant ».
En conséquence, certaines molécules de l’eau sont légèrement attirées les unes par les autres et sont unies par une liaison hydrogène. Sa force est plusieurs fois inférieure à celle d'une liaison covalente. Des chercheurs singapouriens estiment que l'explication du paradoxe de Mpemba réside précisément dans les liaisons hydrogène. Si les molécules d’eau sont très étroitement rapprochées, une interaction aussi forte entre les molécules peut déformer la liaison covalente au milieu de la molécule elle-même.
Mais lorsque l’eau est chauffée, les molécules liées s’éloignent légèrement les unes des autres. En conséquence, la relaxation des liaisons covalentes se produit au milieu des molécules avec libération d'énergie excédentaire et transition vers un niveau d'énergie inférieur. Cela conduit au fait que l'eau chaude commence à refroidir rapidement. C’est du moins ce que montrent les calculs théoriques effectués par des scientifiques singapouriens.
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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, approché par l'écolier Erasto Mpemba 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 pure qui gèle pendant l’expérience. Certaines conditions doivent être réunies pour commencer à discuter 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 fraîche. 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, dans le sens où à des températures inférieures à zéro, elle se trouve 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 des cristaux commencent à se former 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 elle 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. Justement 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 semblerait que la bonne vieille formule H 2 O ne contienne aucun secret. Mais en fait, l'eau - source de vie et liquide le plus célèbre au monde - recèle de nombreux mystères que même les scientifiques sont parfois incapables de résoudre.
Voici les 5 faits les plus intéressants sur l’eau :
1. L’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide
Prenons deux récipients contenant de l'eau : versez de l'eau chaude dans l'un et de l'eau froide dans l'autre, et placez-les au congélateur. L'eau chaude gèlera plus rapidement que l'eau froide, même si, selon la logique des choses, l'eau froide aurait dû d'abord se transformer en glace : après tout, l'eau chaude doit d'abord refroidir à la température froide, puis se transformer en glace, alors que l'eau froide ne le fait pas. besoin de refroidir. Pourquoi cela arrive-t-il?
En 1963, Erasto B. Mpemba, un lycéen tanzanien, congelait un mélange de crème glacée et remarqua que le mélange chaud se solidifiait plus rapidement dans le congélateur que le froid. Lorsque le jeune homme a partagé sa découverte avec son professeur de physique, celui-ci s'est seulement moqué de lui. Heureusement, l'élève a persisté et a convaincu le professeur de faire une expérience, qui a confirmé sa découverte : dans certaines conditions, l'eau chaude gèle en fait plus vite que l'eau froide.
Or, ce phénomène de congélation de l’eau chaude plus rapide que l’eau froide est appelé « effet Mpemba ». Certes, bien avant lui, cette propriété unique de l'eau a été notée par Aristote, Francis Bacon et René Descartes.
Les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement la nature de ce phénomène, l'expliquant soit par la différence d'hypothermie, d'évaporation, de formation de glace, de convection, soit par l'effet des gaz liquéfiés sur l'eau chaude et froide.
Note de X.RU sur le thème « L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide ».
Les questions de refroidissement étant plus proches de nous, spécialistes du froid, nous nous permettrons d'approfondir un peu l'essence de ce problème et de donner deux avis sur la nature d'un phénomène aussi mystérieux.
1. Un scientifique de l'Université de Washington a proposé une explication à un phénomène mystérieux connu depuis l'époque d'Aristote : pourquoi l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide.
Le phénomène, appelé effet Mpemba, est largement utilisé dans la pratique. Par exemple, les experts conseillent aux automobilistes de verser de l’eau froide et non chaude dans le réservoir du lave-glace en hiver. Mais ce qui est à l’origine de ce phénomène est resté longtemps inconnu.
Le Dr Jonathan Katz de l'Université de Washington a étudié ce phénomène et est arrivé à la conclusion que les substances dissoutes dans l'eau, qui précipitent lorsqu'elles sont chauffées, jouent un rôle important, rapporte EurekAlert.
Par solutés, le Dr Katz entend les bicarbonates de calcium et de magnésium, que l'on trouve dans l'eau dure. Lorsque l'eau est chauffée, ces substances précipitent et forment du tartre sur les parois de la bouilloire. L’eau qui n’a jamais été chauffée contient ces impuretés. À mesure qu'elle gèle et que des cristaux de glace se forment, la concentration d'impuretés dans l'eau augmente 50 fois. De ce fait, le point de congélation de l'eau diminue. "Et maintenant, l'eau doit encore refroidir pour geler", explique le Dr Katz.
Il existe une deuxième raison qui empêche l’eau non chauffée de geler. L'abaissement du point de congélation de l'eau réduit la différence de température entre les phases solide et liquide. "Comme la vitesse à laquelle l'eau perd de la chaleur dépend de cette différence de température, l'eau qui n'a pas été chauffée se refroidit moins bien", commente le Dr Katz.
Selon le scientifique, sa théorie peut être testée expérimentalement, car L’effet Mpemba devient plus visible avec une eau plus dure.
2. L'oxygène plus l'hydrogène plus le froid créent de la glace. À première vue, cette substance transparente semble très simple. En réalité, la glace recèle de nombreux mystères. Ice, créé par l'Africain Erasto Mpemba, n'a pas pensé à la gloire. Les journées étaient chaudes. Il voulait des glaces. Il prit la boîte de jus et la mit au congélateur. Il l'a fait plus d'une fois et a donc remarqué que le jus gèle particulièrement rapidement si vous le conservez au soleil pour la première fois - cela le réchauffe vraiment ! C'est étrange, pensa l'écolier tanzanien, qui a agi contrairement à la sagesse du monde. Est-il vraiment nécessaire de préchauffer le liquide pour qu'il se transforme plus rapidement en glace ? Le jeune homme fut tellement surpris qu'il partagea sa supposition avec le professeur. Il a rapporté cette curiosité dans la presse.
Cette histoire s'est produite dans les années soixante du siècle dernier. Désormais, « l’effet Mpemba » est bien connu des scientifiques. Mais ce phénomène apparemment simple est resté longtemps un mystère. Pourquoi l’eau chaude gèle-t-elle plus vite que l’eau froide ?
Ce n'est qu'en 1996 que le physicien David Auerbach a trouvé une solution. Pour répondre à cette question, il a mené une expérience pendant une année entière : il a chauffé de l'eau dans un verre et l'a refroidie à nouveau. Alors qu’a-t-il découvert ? Lorsqu'elles sont chauffées, les bulles d'air dissoutes dans l'eau s'évaporent. L'eau dépourvue de gaz gèle plus facilement sur les parois de la cuve. "Bien sûr, l'eau à forte teneur en air gèle également", explique Auerbach, "mais pas à zéro degré Celsius, mais seulement entre moins quatre et six degrés." Bien sûr, il faudra attendre plus longtemps. Ainsi, l’eau chaude gèle avant l’eau froide, c’est un fait scientifique.
Il n’existe pratiquement aucune substance qui apparaît sous nos yeux avec la même facilité que la glace. Il se compose uniquement de molécules d'eau, c'est-à-dire de molécules élémentaires contenant deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Cependant, la glace est peut-être la substance la plus mystérieuse de l’Univers. Les scientifiques ne sont pas encore parvenus à expliquer certaines de ses propriétés.
2. Surfusion et congélation « instantanée »
Tout le monde sait que l’eau se transforme toujours en glace lorsqu’elle est refroidie à 0°C… sauf dans certains cas ! Un exemple en est la « surfusion », qui est la propriété de l’eau très pure de rester liquide même lorsqu’elle est refroidie en dessous de zéro. Ce phénomène est rendu possible grâce au fait que l'environnement ne contient pas de centres ou noyaux de cristallisation qui pourraient déclencher la formation de cristaux de glace. Ainsi, l’eau reste sous forme liquide même lorsqu’elle est refroidie en dessous de zéro degré Celsius. Le processus de cristallisation peut être déclenché, par exemple, par des bulles de gaz, des impuretés (contaminants) ou une surface inégale du récipient. Sans eux, l’eau restera à l’état liquide. Lorsque le processus de cristallisation démarre, vous pouvez voir l’eau surfondue se transformer instantanément en glace.
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Commentaire. L'eau surchauffée reste également liquide même lorsqu'elle est chauffée au-dessus de son point d'ébullition.
3. Eau "en verre"
Rapidement et sans réfléchir, nommez combien d’états différents l’eau a-t-elle ?
Si vous avez répondu trois (solide, liquide, gaz), alors vous vous êtes trompé. Les scientifiques identifient au moins 5 états différents de l’eau liquide et 14 états de la glace.
Vous vous souvenez de la conversation sur l'eau super glacée ? Ainsi, quoi que vous fassiez, à -38 °C, même l’eau la plus pure et la plus réfrigérée se transforme soudainement en glace. Que se passe-t-il en cas de nouveau déclin ?
température? À -120 °C, quelque chose d'étrange commence à arriver à l'eau : elle devient super visqueuse ou visqueuse, comme la mélasse, et à des températures inférieures à -135 °C, elle se transforme en eau « vitreuse » ou « vitreuse » - une substance solide dépourvue de structure cristalline. .
4. Propriétés quantiques de l'eau
Au niveau moléculaire, l'eau est encore plus surprenante. En 1995, une expérience de diffusion de neutrons menée par des scientifiques a donné un résultat inattendu : les physiciens ont découvert que les neutrons dirigés vers les molécules d'eau « voient » 25 % de protons d'hydrogène en moins que prévu.
Il s'est avéré qu'à une vitesse d'une attoseconde (10 -18 secondes), un effet quantique inhabituel se produit et la formule chimique de l'eau, au lieu de la formule habituelle - H 2 O, devient H 1,5 O !
5. L’eau a-t-elle de la mémoire ?
L'homéopathie, une alternative à la médecine conventionnelle, affirme qu'une solution diluée d'un médicament peut avoir un effet curatif sur le corps, même si le facteur de dilution est si grand qu'il ne reste plus rien dans la solution à l'exception des molécules d'eau. Les partisans de l'homéopathie expliquent ce paradoxe par un concept appelé « mémoire de l'eau », selon lequel l'eau, au niveau moléculaire, a une « mémoire » de la substance une fois dissoute et conserve les propriétés de la solution de la concentration d'origine après pas un seul instant. la molécule de l’ingrédient y reste.
Un groupe international de scientifiques dirigé par le professeur Madeleine Ennis de l'Université Queen's de Belfast, qui critiquait les principes de l'homéopathie, a mené une expérience en 2002 pour réfuter une fois pour toutes ce concept. Le résultat a été le contraire. Après quoi, les scientifiques ont déclaré qu'ils. ont pu prouver la réalité de l'effet « mémoire de l'eau ». Cependant, les expériences menées sous la supervision d'experts indépendants n'ont apporté aucun résultat. Le débat sur l'existence du phénomène de « mémoire de l'eau » se poursuit.
L’eau possède de nombreuses autres propriétés inhabituelles dont nous n’avons pas parlé dans cet article.
Littérature.
1. 5 choses vraiment étranges sur l'eau / http://www.neatorama.com.
2. Le mystère de l'eau : la théorie de l'effet Aristote-Mpemba a été créée / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Secrets de nature inanimée. La substance la plus mystérieuse de l'univers / http://www.bibliotekar.ru.
