¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría?

A lo largo de los años, muchos científicos han desconcertado una observación contraintuitiva: el agua caliente, por alguna razón, parece congelarse más rápido que el agua fría. Este fenómeno fue explicado por un estudiante de Tanzania, Mpemba, cuando observó que su mezcla de helado caliente se congeló más rápido que la fría.

Más tarde, el equipo de físicos dirigido por Xi Zhang descubrió que la razón detrás de este efecto se debe al enlace covalente presente en el agua. Cada molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a un solo átomo de oxígeno. Esos enlaces, que involucran átomos que comparten electrones, son bien entendidos. Como se muestra en la figura a continuación: –

Pero las moléculas de agua separadas también están unidas, también, por fuerzas más débiles generadas por enlaces de hidrógeno. Ocurren cuando un átomo de hidrógeno de una molécula de agua se encuentra cerca de un átomo de oxígeno de otra, y dan lugar a muchas de las propiedades interesantes del agua, como su punto de ebullición extrañamente alto. Esos mismos enlaces causan el efecto Mpemba. La idea es bastante simple: acercar las moléculas de agua, y una repulsión natural entre las moléculas hace que los enlaces covalentes se estiren y almacenen energía. A medida que el líquido se calienta, los enlaces de hidrógeno se estiran a medida que el agua se vuelve menos densa y las moléculas se separan más. Ese estiramiento adicional en los enlaces de hidrógeno permite que los enlaces covalentes se relajen y encojan un poco, renunciando a su energía. El proceso de enlaces covalentes que liberan energía es equivalente al enfriamiento, por lo que, en teoría, el agua tibia debería enfriarse más rápido que el frío. ¡Esto es el efecto Mpemba!

Pero este efecto no es válido en todas las condiciones. Digamos, por ejemplo, que toma dos recipientes de agua, que son idénticos en forma y que contienen cantidades idénticas de agua. La única diferencia entre los dos es que el agua en uno está a una temperatura más alta (uniforme) que el agua en el otro. Ahora enfriamos ambos contenedores, utilizando exactamente el mismo proceso de enfriamiento para cada contenedor. Bajo algunas condiciones, el agua inicialmente más cálida se congelará primero. Si esto ocurre, hemos visto el efecto Mpemba. Por supuesto, el agua inicialmente más caliente no se congelará antes que el agua inicialmente más fría para todas las condiciones iniciales. Si el agua caliente comienza a 99.9 ° C y el agua fría a 0.01 ° C, entonces claramente bajo esas circunstancias, el agua inicialmente más fría se congelará primero. Sin embargo, en algunas condiciones, el agua inicialmente más cálida se congelará primero: si eso sucede, habrá visto el efecto Mpemba. Pero no verá el efecto Mpemba para cualquier temperatura inicial, forma de contenedor o condiciones de enfriamiento.

Esto parece imposible, ¿verdad? Es posible que muchos lectores agudos ya hayan presentado una prueba común de que el efecto Mpemba es imposible. La prueba suele ser algo como esto. Digamos que el agua inicialmente más fría comienza a 30 ° C y tarda 10 minutos en congelarse, mientras que el agua inicialmente más cálida comienza a 70 ° C. Ahora, el agua inicialmente más cálida tiene que pasar un tiempo de enfriamiento para llegar a 30 ° C, y después de eso, tardará 10 minutos más en congelarse. Entonces, dado que el agua inicialmente más cálida tiene que hacer todo lo que tiene que hacer el agua inicialmente más fría, además de un poco más, tomará al menos un poco más, ¿verdad? ¿Qué puede estar mal con esta prueba?

Lo que está mal con esta prueba es que asume implícitamente que el agua se caracteriza únicamente por un número único: su temperatura promedio. Pero si otros factores además de la temperatura promedio son importantes, entonces cuando el agua inicialmente más cálida se ha enfriado a una temperatura promedio de 30 ° C, puede parecer muy diferente al agua inicialmente más fría (a una temperatura uniforme de 30 ° C) al principio . ¿Por qué? La razón puede ser porque el agua puede haber cambiado cuando se enfrió de 70 ° C a un promedio de 30 ° C. Podría tener menos masa, menos gas disuelto o corrientes de convección que produzcan una distribución de temperatura no uniforme. O podría haber cambiado el entorno alrededor del contenedor en el refrigerador. Y, de hecho, el efecto Mpemba se ha observado en varios experimentos controlados. El efecto Mpemba depende de algunos factores que se explican a continuación:

1. Evaporación : a medida que el agua inicialmente más cálida se enfría a la temperatura inicial del agua inicialmente más fría, puede perder cantidades significativas de agua por evaporación. La masa reducida facilitará que el agua se enfríe y se congele. Entonces, el agua inicialmente más caliente puede congelarse antes que el agua inicialmente más fría, pero producirá menos hielo. Los cálculos teóricos han demostrado que la evaporación puede explicar el efecto Mpemba si se supone que el agua pierde calor únicamente por evaporación. Esta explicación es sólida, intuitiva, y la evaporación es indudablemente importante en la mayoría de las situaciones. Sin embargo, no es el único mecanismo. La evaporación no puede explicar los experimentos que se realizaron en contenedores cerrados, donde no se perdió masa por evaporación. Y muchos científicos han afirmado que la evaporación por sí sola es insuficiente para explicar sus resultados.
2. Gases disueltos : el agua caliente puede contener menos gas disuelto que el agua fría, y grandes cantidades de gas escapan al hervir. Por lo tanto, el agua inicialmente más cálida puede tener menos gas disuelto que el agua inicialmente más fría. Se ha especulado que esto cambia las propiedades del agua de alguna manera, quizás facilitando el desarrollo de corrientes de convección (y por lo tanto facilitando el enfriamiento), o disminuyendo la cantidad de calor requerida para congelar una unidad de masa de agua, o cambiando el punto de ebullición. Hay algunos experimentos que favorecen esta explicación, pero no hay cálculos teóricos de apoyo.
3. Convección : a medida que el agua se enfría, eventualmente desarrollará corrientes de convección y una distribución de temperatura no uniforme. A la mayoría de las temperaturas, la densidad disminuye con el aumento de la temperatura, por lo que la superficie del agua será más cálida que el fondo: esto se ha denominado “parte superior caliente”. Ahora, si el agua pierde calor principalmente a través de la superficie, entonces el agua con una “superficie caliente” perderá calor más rápido de lo que esperaríamos en función de su temperatura promedio. Cuando el agua inicialmente más cálida se ha enfriado a una temperatura promedio igual a la temperatura inicial del agua inicialmente más fría, tendrá una “parte superior caliente” y, por lo tanto, su velocidad de enfriamiento será más rápida que la velocidad de enfriamiento del agua inicialmente más fría. agua a la misma temperatura media. ¿Tienes todo eso? Es posible que desee leer este párrafo nuevamente, haciendo una cuidadosa distinción a la diferencia entre la temperatura inicial, la temperatura promedio y la temperatura. Si bien los experimentos han visto el “techo caliente” y las corrientes de convección relacionadas, se desconoce si la convección puede explicar por sí sola el efecto Mpemba.
4. Alrededores : una diferencia final entre el enfriamiento de los dos recipientes no se relaciona con el agua en sí, sino con el entorno. El agua inicialmente más cálida puede cambiar el entorno a su alrededor de una manera compleja y, por lo tanto, afectar el proceso de enfriamiento. Por ejemplo, si el recipiente se asienta sobre una capa de escarcha que conduce mal el calor, el agua caliente puede derretir esa capa de escarcha y, por lo tanto, establecer un mejor sistema de enfriamiento a largo plazo. Obviamente, explicaciones como esta no son muy generales, ya que la mayoría de los experimentos no se realizan con contenedores que se encuentran en capas de escarcha.

En resumen, el agua caliente se congela antes que el agua fría en una amplia gama de circunstancias. No es imposible, y se ha visto que ocurre en una serie de experimentos. Sin embargo, a pesar de las afirmaciones hechas a menudo por una fuente u otra, no hay una explicación bien acordada de cómo ocurre este fenómeno. Se han propuesto diferentes mecanismos, pero la evidencia experimental no es concluyente.

Gracias Gp Dhaker por A2A! Espero haber aclarado tu duda. 🙂

¿Puede el agua caliente congelarse más rápido que el agua fría?
Finalmente hemos descubierto por qué el agua caliente se congela más rápido que el frío

He hecho este experimento cuando era muy joven. El agua increíblemente hervida se congela más rápido.

El fenómeno científico de congelación del agua caliente más rápido que el agua fría se conoce como el efecto Mpemba, llamado así por Erasto Mpemba, un estudiante tanzano que en 1963 estaba haciendo helados como parte de un proyecto escolar.

Los estudiantes debían hervir una mezcla de crema y azúcar, dejar que se enfriara y luego ponerla en el congelador.

Preocupado por conseguir un lugar en el congelador, Mpemba puso su mezcla mientras todavía estaba muy caliente. Pero después de 1,5 horas, su mezcla se había congelado, mientras que las mezclas de sus compañeros no.

Intrigado por este fenómeno, pasó a trabajar con el profesor de física Denis Osborne, y juntos pudieron replicar los hallazgos y publicar un artículo en 1969 que muestra que el agua tibia se congela más rápido que el agua fría.

Fue el primer estudio revisado por pares sobre el efecto, pero como Derek señala en el video anterior, las observaciones datan de Aristóteles en el siglo IV a. C., quien observó que el agua caliente se enfrió antes que el frío durante sus experimentos.

Sir Frances Bacon y Descartes también notaron el fenómeno en sus estudios.

Pero, ¿cuál es la física detrás de este extraño fenómeno?

Aquí hay cinco mecanismos propuestos para lo que está sucediendo aquí:

1. Frost derretido: Frost es un aislante, por lo que el agua helada puede mantener su calor mejor que un vaso de precipitados caliente que derrite la escarcha por los costados.
2. Gases disueltos: hay más gases disueltos en agua fría que en agua tibia, y los investigadores han predicho que esto podría desempeñar un papel en las tasas de enfriamiento, aunque no está claro cómo.
3. Sobreenfriamiento: todos sabemos que el agua se congela a cero grados centígrados, pero a veces se enfría mucho antes de congelarse, un fenómeno conocido como sobreenfriamiento. Esto ocurre porque el hielo necesita un sitio de nucleación, como una burbuja de aire o impureza en el agua para formarse. Entonces, quizás el agua tibia experimente menos sobreenfriamiento que el agua fría.
4. Evaporación: el vaso de agua caliente pierde más moléculas de agua a través de la evaporación, por lo que hay menos para congelar.
5. Convección: Finalmente, existe la idea de que el agua tibia podría enfriarse más rápido debido al aumento de las corrientes de convección. Estas corrientes se producen porque el agua se enfría principalmente desde su superficie y los lados del vaso de precipitados, lo que hace que el agua fría se hunda y que el agua tibia se eleve y tome su lugar. Las corrientes son mayores en vasos de precipitados calientes y podrían afectar las tasas de enfriamiento.

Hay mérito en todas esas ideas, pero el problema es que los experimentos a lo largo de los años han controlado todos estos efectos, y los resultados han sido frustrantemente inconsistentes.

Algunos laboratorios no han demostrado que el efecto Mpemba ocurra, mientras que otros muestran que sucede incluso en condiciones variables.

Entonces, ¿cuál es la respuesta? Bueno, un nuevo estudio publicado este año sugiere que tal vez el efecto Mpemba está siendo causado por algo completamente diferente, y no tiene nada que ver con la rapidez con que se enfría el agua caliente.

Entonces, finalmente, solo Dios sabe la respuesta.

Pran

Todo depende

La respuesta es, depende. Si tiene dos tazas de agua químicamente idénticas, la más fría se congelará primero porque alcanzará el punto de congelación antes. Sin embargo, la respuesta es un poco más complicada que eso porque solo el hecho de calentar el agua alterará químicamente el contenido de la muestra. Dado que las dos muestras ya no son las mismas, ambas tendrán diferentes puntos de congelación.

Esto es similar a cómo agregar sal a las carreteras los mantendrá libres de hielo y por qué el agua dulce se congela más rápidamente que el agua de mar: la adición o sustracción de minerales, productos químicos y otros contaminantes puede disminuir o aumentar la depresión del punto de congelación.

Al intentar congelar el agua caliente, los primeros cristales de hielo que comienzan a formarse excluyen los solutos, lo que hace que aumente la concentración de iones del líquido restante, lo que lleva a una depresión aún mayor del punto de congelación para el agua restante (si los iones estaban presentes en la muestra). El agua más fría puede comenzar a mostrar signos de congelación más rápido, pero al final, el agua caliente se congelará primero. Tenga en cuenta que el agua destilada, o el agua que se ha filtrado con ósmosis inversa no sufrirá este efecto gracias a la falta de solutos y contaminantes.

Cuando el agua caliente gana la carrera y se congela por completo antes de una muestra similar de agua fría, esto se llama efecto Mpemba .

La respuesta corta

La respuesta corta es que el agua caliente se congelará primero si la muestra de agua fría tiene solutos (contaminantes o minerales traza). Los solutos aumentan la depresión del punto de congelación, lo que significa que el agua tardará más en congelarse. El acto de calentar o hervir el agua elimina muchos de estos solutos y contamina y disminuye el punto de congelación, haciendo que el agua caliente se congele primero.

Feliz lectura…

¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que el frío? Los físicos resuelven el efecto Mpemba

Aristóteles notó por primera vez que el agua caliente se congela más rápido que el frío, pero los químicos siempre han tenido problemas para explicar la paradoja. Hasta ahora

El agua puede ser uno de los compuestos más abundantes en la Tierra, pero también es uno de los más misteriosos. Por ejemplo, como la mayoría de los líquidos, se vuelve más denso a medida que se enfría. Pero a diferencia de ellos, alcanza un estado de densidad máxima a 4 ° C y luego se vuelve menos denso antes de congelarse.

En forma sólida, aún es menos denso, razón por la cual el hielo estándar flota en el agua. Esa es una de las razones por las cuales la vida en la Tierra ha florecido: si el hielo fuera más denso que el agua, los lagos y los océanos se congelarían de abajo hacia arriba, lo que casi con seguridad evitaría el tipo de química que hace posible la vida.

Luego está el extraño efecto Mpemba, llamado así por un estudiante de Tanzania que descubrió que una mezcla de helado caliente se congela más rápido que una mezcla fría en las clases de cocina a principios de la década de 1960. (De hecho, muchos científicos han notado el efecto a lo largo de la historia, incluidos Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes).

El efecto Mpemba es la observación de que el agua tibia se congela más rápidamente que el agua fría. El efecto se ha medido en muchas ocasiones con muchas explicaciones presentadas. Una idea es que los recipientes calientes hagan un mejor contacto térmico con un refrigerador y conduzcan el calor de manera más eficiente. De ahí la congelación más rápida. Otra es que el agua tibia se evapora rápidamente y, dado que este es un proceso endotérmico, enfría el agua haciendo que se congele más rápidamente.

Ninguna de estas explicaciones es completamente convincente, por lo que la verdadera explicación todavía está en juego.

Hoy Xi Zhang en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y algunos amigos proporcionan uno. Estos muchachos dicen que la paradoja de Mpemba es el resultado de las propiedades únicas de los diferentes enlaces que mantienen el agua unida.

¿Qué tiene de extraño los enlaces en el agua? Una sola molécula de agua consiste en un átomo de oxígeno relativamente grande unido a dos átomos de hidrógeno más pequeños por enlaces covalentes estándar.

Pero juntar las moléculas de agua y los enlaces de hidrógeno también comienzan a jugar un papel importante. Esto ocurre cuando un hidrógeno en una molécula se acerca al oxígeno en otra y se une a él.

Los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes pero más fuertes que las fuerzas de van der Waals que los geckos usan para trepar paredes.

Los químicos saben desde hace tiempo que son importantes. Por ejemplo, el punto de ebullición del agua es mucho más alto que otros líquidos de moléculas similares porque los enlaces de hidrógeno lo mantienen unido.

Pero en los últimos años, los químicos se han vuelto cada vez más conscientes de los roles más sutiles que pueden desempeñar los enlaces de hidrógeno. Por ejemplo, las moléculas de agua dentro de capilares estrechos se forman en cadenas unidas por enlaces de hidrógeno. Esto juega un papel importante en los árboles y las plantas donde la evaporación del agua a través de la membrana de una hoja tira efectivamente una cadena de moléculas de agua desde las raíces.

Ahora Xi y compañía dicen que los enlaces de hidrógeno también explican el efecto Mpemba. Su idea clave es que los enlaces de hidrógeno ponen a las moléculas de agua en contacto cercano y cuando esto sucede, la repulsión natural entre las moléculas hace que los enlaces OH covalentes se estiren y almacenen energía.

Pero a medida que el líquido se calienta, obliga a los enlaces de hidrógeno a estirarse y las moléculas de agua se sientan más separadas. Esto permite que las moléculas covalentes se contraigan nuevamente y renuncien a su energía. El punto importante es que este proceso en el que los enlaces covalentes abandonan la energía es equivalente al enfriamiento.

De hecho, el efecto es adicional al proceso convencional de enfriamiento. Entonces, el agua tibia debería enfriarse más rápido que el agua fría, dicen. Y eso es exactamente lo que se observa en el efecto Mpemba.

Estos muchachos han calculado la magnitud del efecto de enfriamiento adicional y muestran que explica exactamente las diferencias observadas en los experimentos que miden las diferentes velocidades de enfriamiento del agua fría y caliente.

Voila! Esa es una visión interesante de las propiedades complejas y misteriosas del agua, que todavía dan a los químicos noches de insomnio.

Pero si bien la idea de Xi y compañía es convincente, no es del todo un golpe teórico que muchos físicos requerirán para resolver la cuestión. Esto se debe a que la nueva teoría carece de poder predictivo, al menos en este artículo.

Xi y compañía necesitan usar su teoría para predecir una nueva propiedad del agua que el pensamiento convencional sobre el agua no utiliza. Por ejemplo, los enlaces covalentes acortados podrían dar lugar a alguna propiedad medible del agua que de otro modo no estaría presente. El descubrimiento y la medición de esta propiedad sería el golpe de gracia que necesita su teoría.

Entonces, aunque estos muchachos pueden haber resuelto el enigma del efecto Mpemba, probablemente tendrán que trabajar un poco más para convencer a todos. Sin embargo, ¡cosas interesantes!

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Estoy bastante seguro de que es porque el agua caliente se evapora increíblemente rápido en aire frío. Esto reduce la masa de agua a enfriar al mismo tiempo que enfría el agua.

Razones:
– La transferencia de calor conductivo es proporcional a la diferencia de temperatura.
– La transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de densidad entre el fluido más caliente y el fluido más frío.
– La transferencia de calor por evaporación es proporcional a la presión de vapor y al calor latente de vaporización del fluido.

Críticamente, el primero y el tercero son MUCHO más altos (1-2 órdenes de magnitud) para agua caliente que para agua fría. El tercero en particular, la evaporación, transportará una cantidad sustancial de masa porque el aire congelado tiene un vapor de agua libre cercano a cero, por lo que es muy difícil que la interfaz aire / agua alcance el equilibrio cinético. Normalmente las moléculas de agua en la interfaz de fase entran y salen continuamente de la fase líquida. Con un aire increíblemente seco, se van y no regresan. Por lo tanto, la cinética de cambio de fase favorece fuertemente la evaporación rápida. La pérdida de calor ocurrirá increíblemente rápido hasta que el agua caliente se convierta en agua fría.

Dicho de otra manera: en cualquier líquido o gas hay una distribución sesgada en forma de campana de energías cinéticas para cada molécula. Las moléculas en la interfaz aire / agua que tienen suficiente energía cinética para “explotar” y entrar al aire se evaporarán. Esto deja atrás todas las moléculas de baja energía, reduciendo la temperatura promedio de la fase líquida. (Es un poco más complicado que esto, pero no mucho). Si una gran fracción de las moléculas en el líquido son de alta energía (es decir, el líquido está caliente); entonces un mayor porcentaje de moléculas en la interfaz podrá escapar (tasa creciente) y quedarán menos al final.

Para usar una analogía simplista, imagine que tiene una barra llena de todo tipo de personas, y todos los atractivos se van. El calor promedio de la barra disminuye a pesar de que nadie se pone más feo. Ahora imagine que la MAYORÍA de las personas en el bar están calientes: el bar se vacía rápidamente.

Esta es la razón por la cual arrojar un vaso de agua caliente al aire en Siberia produce instantáneamente hielo. La mayoría de las moléculas son lo suficientemente energéticas como para evaporarse inmediatamente, y las que quedan son las de menor energía (más frías). Se necesita muy poca pérdida de calor adicional para congelar lo que queda.

Para resumir, cuando pones agua caliente en el congelador, gran parte del agua se evapora y deja agua fría. Esta pequeña cantidad de agua fría se congela más rápido que el otro vaso de agua no evaporada originalmente fría.

Inventar algunos números de ejemplo: si comienza con 1 kg de agua caliente y 1 kg de agua fría, después de media hora tiene .99 kg de agua más fría y .9 kg de agua fría. Entonces la masa más pequeña puede congelarse más rápido. ¡Paradoja resuelta!

Nunca he hecho este experimento, pero el famoso efecto Mpemba fue conocido por otros hace miles de años. Aquí está su biografía Erasto Mpemba – Hmolpedia, todavía con vida y un experto en gestión de juegos.

Se congela por varias razones. Y también está la nueva investigación de la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur (Xi Zhang, et al). Lo principal a entender es la conservación de la energía. Existe mucha más energía en el agua más caliente. Puedes transformar esa energía, pero todo debe tenerse en cuenta. Existe la energía intercambiada en la congelación y existe el cambio en la refrigeración.

A) no hay nada que evite que el agua caliente se congele primero. La única necesidad es que no se rompa la conservación de la energía.

B) se realiza mediante aislamiento del agua más fría. El elemento conductor o radiante intenta penetrar en el agua. Pero como se está congelando, el agua más fría tiene muchas más desventajas en promedio al formar mantas aislantes.

C) Por ejemplo, esto se hace porque el agua fría generalmente tiene muchos más sólidos disueltos. Estos pueden estar en solución como líquido, gas u otros sólidos suspendidos (ya que la leche tiene glóbulos grasos).

D) estos sólidos disueltos crean barreras. El gas de disolución se precipita y muy a menudo se congela dentro del hielo, lo que lo convierte en una excelente capa aislante ya que el aire tiene un efecto aislante mucho mayor (10–100x, lo olvido). El hielo normal tiene una capacidad mucho mejor para dejar que el agua se congele. el camino a través primero.

E) Similar con polvo suspendido y otras impurezas. El permafrost, que es tierra de barro congelada, es muy aislante. Una manta de 30 metros puede durar miles de años a pesar de temperaturas bastante altas de 10 ° C o más durante el año. Una cantidad menor se aplica al mismo problema de agua diluida.

Hay más, pero mira a continuación y, generalmente, capta la idea. Probablemente no sea como si te unieras a la industria.

Valor R (aislamiento)

Cocktail Science: 5 mitos sobre el hielo, desacreditados

El efecto Mpemba es la observación de que el agua tibia se congela más rápidamente que el agua fría. El efecto se ha medido en muchas ocasiones con muchas explicaciones presentadas. Una idea es que los recipientes calientes hagan un mejor contacto térmico con un refrigerador y conduzcan el calor de manera más eficiente. De ahí la congelación más rápida. Otra es que el agua tibia se evapora rápidamente y, dado que este es un proceso endotérmico, enfría el agua haciendo que se congele más rápidamente.

Ninguna de estas explicaciones es completamente convincente, por lo que la verdadera explicación todavía está en juego.

Xi Zhang en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y algunos amigos proporcionan uno. Estos muchachos dicen que la paradoja de Mpemba es el resultado de las propiedades únicas de los diferentes enlaces que mantienen el agua unida.

¿Qué tiene de extraño los enlaces en el agua? Una sola molécula de agua consiste en un átomo de oxígeno relativamente grande unido a dos átomos de hidrógeno más pequeños por enlaces covalentes estándar.

Pero juntar las moléculas de agua y los enlaces de hidrógeno también comienzan a jugar un papel importante. Esto ocurre cuando un hidrógeno en una molécula se acerca al oxígeno en otra y se une a él.

Los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes pero más fuertes que las fuerzas de van der Waals que los geckos usan para trepar paredes.

Los químicos saben desde hace tiempo que son importantes. Por ejemplo, el punto de ebullición del agua es mucho más alto que otros líquidos de moléculas similares porque los enlaces de hidrógeno lo mantienen unido.

Pero en los últimos años, los químicos se han vuelto cada vez más conscientes de los roles más sutiles que pueden desempeñar los enlaces de hidrógeno. Por ejemplo, las moléculas de agua dentro de capilares estrechos se forman en cadenas unidas por enlaces de hidrógeno. Esto juega un papel importante en los árboles y las plantas donde la evaporación del agua a través de la membrana de una hoja tira efectivamente una cadena de moléculas de agua desde las raíces.

Ahora Xi y compañía dicen que los enlaces de hidrógeno también explican el efecto Mpemba. Su idea clave es que los enlaces de hidrógeno ponen a las moléculas de agua en contacto cercano y cuando esto sucede, la repulsión natural entre las moléculas hace que los enlaces OH covalentes se estiren y almacenen energía.

Pero a medida que el líquido se calienta, obliga a los enlaces de hidrógeno a estirarse y las moléculas de agua se sientan más separadas. Esto permite que las moléculas covalentes se contraigan nuevamente y renuncien a su energía. El punto importante es que este proceso en el que los enlaces covalentes abandonan la energía es equivalente al enfriamiento.

De hecho, el efecto es adicional al proceso convencional de enfriamiento. Entonces, el agua tibia debería enfriarse más rápido que el agua fría, dicen. Y eso es exactamente lo que se observa en el efecto Mpemba.

Estos muchachos han calculado la magnitud del efecto de enfriamiento adicional y muestran que explica exactamente las diferencias observadas en los experimentos que miden las diferentes velocidades de enfriamiento del agua fría y caliente.

Una colección de artículos que encontré útiles sobre el efecto Mpemba: el efecto Mpemba: comprender por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría

Es la vieja observación de que el agua caliente se congela primero si la coloca en el congelador. Por supuesto, debería ser imposible, porque el agua debería pasar por la etapa más fría en su camino hacia la congelación, pero de todos modos sucede bajo condiciones incontroladas, y también según el artículo de 1969 de Mpemba, bajo condiciones controladas.

En stackexchange, las personas sugirieron que la razón principal es que cuando se coloca la bandeja de hielo en el refrigerador, el agua caliente se derrite y vuelve a congelar la capa de escarcha, haciendo un mejor contacto térmico con las paredes. Esto se controló en el periódico Mpemba de 1969, por lo que probablemente no sea esto.

Un segundo efecto, completamente insignificante en comparación con el primero, es cierta evaporación. Esto puede ser controlado por una fina capa de aceite, y no parece importar. Un tercer efecto son los gases disueltos: cualquier sustancia iónica disuelta reduce drásticamente el calor específico del agua. Para controlar esto, debe realizar un ciclo de la temperatura en el agua fría, dejar que alcance el equilibrio térmico a 26 grados y luego calentarla rápidamente sin mezclarla con aire, tal vez usando una barrera de aceite para evitar la contaminación iónica, y luego colocar el Dos muestras en la nevera.

Si controla los tres efectos, como colocar dos bandejas con agua fría y caliente una al lado de la otra en un pedazo de cartón, no debería obtener ningún efecto, el agua fría se congela primero.

¡Pero esto no es lo que Mpemba informa en 1969! ¡La afirmación aquí es que el agua caliente establece una celda de convección mientras el agua está caliente, que continúa funcionando durante el enfriamiento en el sistema de no equilibrio, manteniendo un gradiente de calor en el agua que conduce a una mayor pérdida de calor en la parte superior! Esto es muy extraño: requeriría que haya dos estados estables en una cuba de agua a 26 grados en un ambiente de aire muy frío, uno que mantenga un gradiente térmico y un ciclo de convección, y el otro no. Esto no es imposible, pero es inverosímil.

Esta es una edición importante de la respuesta original, donde hice esto porque las personas que intentaron replicar en stackexchange fallaron. Después de leer el documento real (hay un documento), donde se controlan las explicaciones obvias, parece ser un efecto real, no un artefacto de contacto térmico. Lo siento por eso. Pero la idea de la emisión de gases necesita ser controlada y el perfil térmico medido antes de que pueda estar seguro de si se trata de gas o algo de la codicia, no lo verifiqué, estaba yendo por el resultado de una discusión anterior sobre el intercambio de pila. Gracias a Rupert Baines por señalar la literatura.

Se sabe que el efecto Mpemba existe en algunos casos, pero existen numerosas explicaciones competitivas sobre por qué y numerosas personas han apoyado explicaciones diferentes en diferentes circunstancias.

Algunos físicos han señalado que no es un problema trivial y es menos que evidente que el efecto siempre ocurre.

Las explicaciones ofrecidas incluyen:

Aumento de la concentración de soluto (particularmente en cristales minerales que pueden ayudar en la nucleación)
Sobreenfriamiento
Aumento de la velocidad de evaporación.
Aislamiento de agua fría por una capa de escarcha.
Convección que afecta la transferencia de calor
etcétera

Investigaciones científicas recientes han sugerido que esto tiene que ver con cambios en los enlaces covalentes y de hidrógeno de las moléculas de agua, un efecto relacionado con la observación de que el agua en realidad se expande cuando se congela en lugar de contraerse como otras sustancias.

El agua caliente se congela más rápido que el frío, y ahora sabemos por qué.

Su idea básica es que algunas sustancias más cálidas pueden congelarse más rápido que las más frías.
Irónico, ¿eh?
Este efecto se opone a las leyes de la naturaleza y, por lo tanto, el efecto de Mpemba es una ironía en el campo de la química.
Aunque hay algunas formas en que las sustancias más cálidas pueden congelarse más rápido.
Es decir,

• Solutos en el líquido: los jabones / estearatos en el líquido afectan la dureza y, por lo tanto, pueden congelarlo.
• Alta tasa de evaporación: la evaporación reduce la masa y es un proceso endotérmico. Entonces, la masa de agua se reducirá más el valor de ∆G se reducirá.
• Sobreenfriamiento del agua fría: el agua congelada cuando se coloca en un ambiente frío se solidifica más lentamente que el agua caliente.

Recientemente, en 2012, la Royal Society of Chemistry propuso que Supercooling era la razón principal del efecto Mpemba.
Aún así, la paradoja no se ha resuelto por completo. ¡Incluso en este momento, los investigadores de todo el mundo están trabajando para descifrar el misterio del efecto Mpemba!

Esto se llama el “efecto Mpemba”, controvertido desde el comienzo de su primera propuesta científica, ya que su explicación no era obvia. Pero la observación y la teoría han ganado credibilidad recientemente en base a los estudios que se realizan en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.

Los estudios sugieren que son los enlaces de hidrógeno (enlaces entre un átomo de hidrógeno de las moléculas de agua y el átomo de oxígeno de una molécula de agua adyacente) los que causan el efecto Mpemba. Los estudios proponen que cuando las moléculas de agua se ponen en contacto cercano, una repulsión natural entre las moléculas hace que los enlaces covalentes dentro de las moléculas de agua se estiren y almacenen energía. Cuando el líquido se calienta, los enlaces de hidrógeno se estiran a medida que el agua se vuelve menos densa y las moléculas se separan más.

El estiramiento en los enlaces de hidrógeno permite que los enlaces covalentes se relajen y encojan un poco, lo que hace que renuncien a su energía. El proceso de los enlaces covalentes que renuncian a su energía es esencialmente el mismo que el enfriamiento, por lo que, en teoría, el agua caliente debería enfriarse más rápido que el frío. Los cálculos sugieren que la magnitud de la relajación del enlace covalente explica las diferencias experimentales en el tiempo que tarda el agua fría y caliente en congelarse.

No lo sabemos con certeza. Hay evidencia contradictoria a lo largo de la historia y los experimentos modernos sobre el fenómeno han sido exasperantemente inconsistentes. Los orígenes se remontan al filósofo Aristóteles, quien escribió que el agua que se mantiene al sol se congelará más rápido que el agua que se mantiene a la sombra.

La teoría más grande que tenemos sobre “por qué” se llama el efecto Mpemba. El efecto Mpemba mide 5 razones por las cuales el agua caliente se congela más rápido que el agua fría en condiciones controladas.

1. Frost Fusion – Frost no se adherirá a un objeto caliente en un ambiente frío, como un vaso de agua tibia. Sin embargo, se adherirá a un vaso de agua ya frío. La escarcha, ya que incorpora tanto aire en su estructura, es un terrible conductor de calor, por lo que en realidad evita que se enfríe. Alternativamente, si coloca un vaso frío sobre un bloque de hielo frente a un vaso tibio, el vaso tibio se enfriará mucho más rápido porque el agua líquida forma una capa debajo del vaso. El agua líquida es mucho más densa que el hielo sólido y su estructura le permite ser un mejor conductor de calor que el hielo también. Por lo tanto, sangrará el calor residual mucho más rápido que un vidrio ya enfriado.
2. Gases Disueltos – Seré honesto, la ciencia en este me escapa. Sin embargo, la teoría establece que hay menos gases disueltos en el agua caliente que en el agua fría, debido a las temperaturas más altas que evaporan la mayoría de los gases del líquido. No sé por qué esto contribuyó a una congelación más rápida, solo sé por experiencia trabajando con un distribuidor de hielo comercial que el “hielo de agua caliente” se congela, mientras que el “hielo de agua fría” normalmente retiene burbujas de aire y es de color blanco lechoso después de que se congela. . Entonces, tal vez el aire aísla el líquido desde adentro o interfiere con la conducción de calor.
3. Sobreenfriamiento: una vez más, la ciencia aquí es difícil de comprender personalmente. Pero todos sabemos que el agua no siempre se congela precisamente a 0 grados Celsius. Muchos factores pueden evitar que el agua se congele, especialmente la falta de un sitio de nucleación. Se especula que el cambio rápido de caliente a frío obliga a los sitios de nucleación a aparecer más rápidamente, por lo que los cristales de hielo pueden comenzar a formarse más temprano en el proceso que al comenzar a una temperatura más baja.
4. Evaporación: esto no explica toda la información recopilada a lo largo de los años y, sinceramente, parece más inexacta (para mí) que los demás. Básicamente, dice que el agua caliente se evapora, por lo que las moléculas de agua se pierden, por lo tanto, hay menos agua para congelar. Sin embargo, ¿es eso suficiente para compensar las temperaturas más altas y los cambios en la humedad / temperatura ambiente? Sinceramente lo dudo.
5. Convección: esto tiene más sentido para mí. Esencialmente, el agua se enfría no solo a través de la conducción directa de calor (como cómo la comida caliente en un plato frío eventualmente quemará la mano que lo transporta). Hay corrientes dentro del agua que reciclan el agua de las superficies frías (el vidrio y la superficie del agua) en las zonas medias más cálidas del agua. En el agua caliente, hay más corrientes de convección que el agua fría, mucho más en realidad, por lo que el agua se enfría más rápido y retiene algunas de estas corrientes debido a la energía cinética que las mantiene.

Es muy probable que todo esto juegue al menos algún papel en hacer que el agua caliente se congele más rápido; ciertamente es un fenómeno que he notado, aunque otros lo niegan por completo.

Hay muchas teorías dadas por los científicos. Como:
1) Una idea es que los contenedores calientes hagan un mejor contacto térmico con un refrigerador y conduzcan el calor de manera más eficiente. De ahí la congelación más rápida.

2) Otra es que el agua tibia se evapora rápidamente y como se trata de un proceso endotérmico, enfría el agua haciendo que se congele más rápidamente.

Pero el más adecuado y apropiado fue dado por Xi Zhang en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y algunos amigos. Afirmaron que: “La paradoja de Mpemba es el resultado de las propiedades únicas de los diferentes enlaces que mantienen el agua unida”.
P. ¿Qué tiene de extraño los enlaces en el agua?
Resp. Una sola molécula de agua consiste en un átomo de oxígeno relativamente grande unido a dos átomos de hidrógeno más pequeños por enlaces covalentes estándar.
A continuación se muestra la explicación adecuada de la paradoja de Mpemba.
¿QUÉ ES EL EFECTO MPEMBA?
El efecto Mpemba es la teoría de que el agua más cálida puede congelarse más rápido que el agua más fría.
El efecto se ha observado desde la antigüedad, pero los científicos han luchado para explicar por qué ocurre.
Un equipo de científicos de Singapur finalmente cree que ha resuelto el misterio y cree que el secreto radica en las propiedades únicas de los enlaces que mantienen unida el agua.
Los enlaces de hidrógeno ponen en contacto estrechas moléculas de agua individuales, lo que desencadena la repulsión natural entre las moléculas de agua y hace que los enlaces entre los átomos de oxígeno e hidrógeno se estiren y almacenen energía.
Entonces, a medida que el líquido se calienta, hace que las moléculas de agua se asienten más separadas entre sí a medida que los enlaces de hidrógeno se estiran.
Cuando las moléculas se encogen nuevamente y abandonan su energía, esto hace que se enfríe, lo que según los científicos significa que el agua tibia se enfría más rápido que el agua fría y explica el efecto Mpemba.
Gracias por A2A 🙂

Este fenómeno se llama efecto Mpemba. Y sorprendentemente, nadie sabe realmente la razón por la cual el agua caliente a veces se congela más rápido que el agua fría. Ha habido algunas sugerencias:

• Evaporación : La evaporación del agua más cálida reduce la masa del agua a congelar. [11] La evaporación es endotérmica, lo que significa que la masa de agua se enfría por el vapor que se lleva el calor, pero esto solo probablemente no explica la totalidad del efecto. [2]
• Convección : Acelerando las transferencias de calor. La reducción de la densidad del agua por debajo de 4 ° C (39 ° F) tiende a suprimir las corrientes de convección que enfrían la parte inferior de la masa líquida; La menor densidad de agua caliente reduciría este efecto, quizás manteniendo el enfriamiento inicial más rápido. Una mayor convección en el agua más cálida también puede extender los cristales de hielo más rápido. [12]
• Frost : tiene efectos aislantes. El agua a temperatura más baja tenderá a congelarse desde la parte superior, reduciendo la pérdida de calor adicional por radiación y convección de aire, mientras que el agua más caliente tenderá a congelarse desde el fondo y los lados debido a la convección del agua. Esto se discute ya que hay experimentos que explican este factor. [2]
• Solutos : Los efectos del carbonato de calcio, carbonato de magnesio, entre otros. [13]
• Conductividad térmica : el contenedor de líquido más caliente puede derretirse a través de una capa de escarcha que actúa como un aislante debajo del contenedor (la escarcha es un aislante, como se mencionó anteriormente), permitiendo que el contenedor entre en contacto directo con una capa inferior mucho más fría que la escarcha se formó en (hielo, serpentines de refrigeración, etc.) El recipiente ahora descansa sobre una superficie mucho más fría (o mejor para eliminar el calor, como serpentines de refrigeración) que el agua originalmente más fría, por lo que se enfría mucho más rápido a partir de este momento .
• Gases disueltos : el agua fría puede contener más gases disueltos que el agua caliente, lo que puede cambiar de alguna manera las propiedades del agua con respecto a las corrientes de convección, una proposición que tiene algún soporte experimental pero no tiene una explicación teórica. [2]

pero no hay una explicación final y concluyente.

¿Sus experimentos involucran un ambiente exterior de temperaturas de congelación o un dispositivo de refrigeración? Realmente debería ser el primero, de lo contrario, toda la ciencia tensa la credulidad. ¿Por qué? Cuando pone agua caliente en un congelador mecánico, FUNCIONA MÁS DURO porque está contrarrestando el aumento de calor en el sistema. El congelador promedio, siendo imperfecto, tendrá temperaturas variables en todo el dispositivo, lo que arruinará aún más la ciencia. Por supuesto, podría poner el calor y el frío uno al lado del otro, limitando las diferencias locales de temperatura, y así sucesivamente, pero … hacer este experimento afuera en un día helado sería más justo, con las máquinas a un lado.

Dicho eso …

El agua caliente tiende a perder su aireación y, por lo tanto, produce un hielo mejor y más claro, que se ve mejor en su té helado o libación mixta. El hielo claro es bueno. Hmm … ¿Alguien ha calculado el efecto del diferencial de aireación? El agua caliente, con menos propiedades de aislamiento del gas disuelto, DEBERÍA congelarse más rápido que el agua fría disfrutando de esos factores de aislamiento.

Por supuesto, solo estoy notando lo obvio del lado de Occam. Perdón por no involucrar a la física.

Te has topado con una cosa llamada efecto Mpemba. Primero fue sacado a la luz por Erasto Mpemba en una clase de física en la escuela. Erasto estaba haciendo helado y notó que se congeló más rápido por el calor que por el frío. Su maestro rechazó la idea, pero Erasto persistió y se la llevó al Dr. Denis G. Osborne cuando visitó la escuela, quien hizo un experimento y descubrió, para su sorpresa, que Erasto tenía razón. En 1969 publicaron conjuntamente hallazgos, con Erasto siendo 19 en ese momento.

Nadie sabe por qué sucede. Hay mucha especulación al respecto y en 2012 la Royal Society for Chemistry solicitó un documento para determinarlo. Obtuvieron más de 20,000 de ellos. El debate aún continúa. En 2016, alguien sugirió que podría tener que ver con la densidad de grupos de enlaces de hidrógeno; pensaron que donde existe un grupo grande, una nucleación para cristales de hielo ocurriría más fácilmente y que cuanto más cálido es, más densos son los grupos. Yo solo lo atribuí a brujería.

Si bien es intuitivamente obvio que el agua fría debería congelarse más rápido, este es un caso en el que la intuición nos puede hacer falsas. El artículo de Wikipedia sobre el efecto Mpemba da detalles, pero la evidencia experimental dice que hay circunstancias bajo las cuales el agua caliente se congela más rápidamente que el agua fría.

En particular, un conjunto de experimentos de 1969 realizado por Erasto Mpemba y Denis G. Osborne, controlando el gas disuelto y la evaporación, descubrió que el tiempo de congelación para comenzar era más largo con una temperatura inicial de 25 ° C y que era mucho menos alrededor 90 ° C. Se ha especulado mucho sobre el mecanismo subyacente responsable, que puede ser trivial o profundo, pero el efecto en sí no se discute.

Parece que esto no ha sido actualizado por un tiempo …

A finales de 2013 hubo un gran revuelo en los medios sobre este artículo:

[1310.6514] O: Relajación anómala de enlace HO que resuelve la paradoja de Mpemba
(Xi Zhang, Yongli Huang, Zengsheng Ma, Chang Q Sun)

No soy lo suficientemente profundo en física molecular para juzgar de manera concluyente, pero tiene sentido para mí y no he visto a nadie que lo rechace científicamente. (O citarlo o revisarlo …)

Recibe reacciones mixtas en la página de Facebook de Physics Today, pero la mayoría de esas personas no parecen suscriptores reales de Physics Today:
https://www.facebook.com/Physics …

El blog arXiv lo toma en serio:
https://medium.com/the-physics-a …

Básicamente, dice que la paradoja se debe a la física competitiva de los enlaces covalentes versus los enlaces de hidrógeno en el agua. Algo relacionado con la peculiar física que hace que el agua se expanda a medida que se congela. Proporcionan un gráfico interesante del tiempo de formación de hielo versus temperatura inicial:

Parece que el efecto solo aparece cuando la temperatura inicial está por encima de los ambientes humanos cómodos. Las personas que comparan los tiempos de congelación de agua fría y fría no lo verán.

Lo que vine a buscar aquí fue si podría haber algún ahorro de energía en esta paradoja. Supongo que, a pesar del tiempo de enfriamiento reducido, la cantidad de calor que se eliminará incluiría todo el calor original más todo el calor agregado para reducir el tiempo, por lo que se pierde doble eficiencia para ganar velocidad.

Esa es una pregunta muy interesante que me he preguntado desde que la observé en el refrigerador de mi casa hace casi 25 años. Después de haber aprendido algo de transferencia de calor y termodinámica desde entonces, aquí está mi explicación:

El agua caliente, por definición, tiene moléculas de agua que se mueven más rápido, lo que significa que si la energía cinética molecular sigue la distribución estándar de Boltzmann. Además, la naturaleza del agua, que está llena de enlaces de hidrógeno débiles entre las moléculas, implica que hay un umbral de energía cinética donde las moléculas de agua se mueven tan rápido que pueden liberarse de los enlaces de hidrógeno que normalmente se formarían. También imparten suficiente energía a través de colisiones a las otras moléculas para facilitar su ruptura o debilitamiento de los enlaces de hidrógeno entre ellas y las otras moléculas. Estas moléculas también tienen suficiente energía para superar el potencial entre el agua y el aire frío y salir del estado líquido.

Entonces, las moléculas de mayor energía se van al aire más frío en un refrigerador, dejando atrás moléculas de menor energía o se rompen rompiendo enlaces intermoleculares débiles entre las moléculas de menor energía. Luego, las moléculas de agua pasan por el proceso estándar de congelación, donde el movimiento molecular se vuelve más y más lento, hasta que alcanzan el punto donde son lo suficientemente lentas como para formar una estructura sólida. En el caso del agua, los enlaces de hidrógeno intermoleculares causan el famoso efecto de inversión donde las fuerzas repulsivas entre las moléculas alrededor de aproximadamente 4 C hacen que la densidad disminuya cuando las moléculas se separan más.

Para el agua caliente, una mayor proporción de moléculas de alta energía pueden liberarse de los enlaces de hidrógeno intermoleculares y provocar una reacción en cadena de roturas de enlaces que el agua fría dejando menos moléculas de baja energía, cuya energía es más baja que otra y tienen menos enlaces de hidrógeno, que pueden congelarse más rápido. Esencialmente, una temperatura más alta implica una gran cantidad de moléculas de alta energía que facilitan el proceso de congelación.

Además, existe el efecto de la convección natural y las pérdidas de radiación en los alrededores, que se debe a la diferencia de temperatura entre el agua y el aire. Todos estos efectos acelerarían el proceso de congelación del agua caliente.

Me encantaría cuantificar este efecto con algunos experimentos.