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¿Quién puede recopilar historias de descubrimientos científicos?

De hecho, en condiciones experimentales generales, el agua caliente se congelará más rápido que el agua fría. Este fenómeno es contradictorio e incluso sorprende a muchos científicos. Pero es cierto y ha sido observado y estudiado en muchos experimentos. Aunque después de Aristóteles, Bacon y Descartes.

2. Gases disueltos - El agua caliente puede retener menos gases disueltos que el agua fría y, al hervir, una gran cantidad de gases se escapará del agua. Los gases disueltos cambian las propiedades del agua. Facilite la convección (y, por lo tanto, facilite el enfriamiento), reduzca la cantidad de calor necesaria para congelar una unidad de masa de agua o cambie el punto de congelación. Existe cierto apoyo experimental para esta explicación, pero no hay cálculos teóricos.

3. Convección: debido al enfriamiento, el agua formará convección y una distribución desigual de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, la densidad del agua disminuye, por lo que la superficie del agua está más caliente que el fondo del agua, lo que se denomina "parte superior caliente". Si el agua pierde calor principalmente a través de la superficie, entonces el agua en la "parte superior caliente" perderá calor más rápido que a una temperatura uniforme. Cuando el agua caliente se enfría a la temperatura inicial del agua fría, tendrá una "parte superior caliente", por lo que se enfriará más rápido que el agua con la misma temperatura promedio pero una temperatura uniforme. ¿Puedes seguir el ritmo? Quizás quieras volver a leer este párrafo y tener cuidado de distinguir entre temperatura inicial, temperatura media y temperatura. Aunque en experimentos se pueden observar "topes calientes" y la convección relacionada, aún se desconoce si la convección puede explicar el efecto Mpemba.

4. Cosas circundantes: la última diferencia entre dos vasos de agua no tiene nada que ver con ellos mismos, sino con el entorno que los rodea. El agua con una temperatura inicial más alta puede cambiar el entorno que la rodea de maneras complejas, afectando el proceso de enfriamiento. Por ejemplo, si el vaso de agua se coloca encima de una capa de escarcha, la escarcha conduce mal el calor. El agua caliente puede derretir esta capa de escarcha, creando un mejor sistema de enfriamiento. Obviamente, esta explicación no es lo suficientemente general y muchos experimentos no colocan el recipiente sobre la capa de escarcha.

Finalmente

Escribió este pasaje para apoyar una visión errónea suya, llamada "antiperistasis". La antiperistasis se define como "el aumento de una propiedad debido a que está rodeada por otra propiedad opuesta. Por ejemplo, un cuerpo caliente se calienta cuando el entorno de repente se vuelve más frío; especialmente como lo hicieron originalmente Mpemba y Osborne, midieron experimentalmente la temperatura". masa perdida y descubrió que era sustancialmente menor de lo esperado según los cálculos de Kell. La refutación más contundente es el experimento de Wojciechowski, quien descubrió que el efecto Mpemba todavía se observaba en un recipiente cerrado sin pérdida de masa.

Gases disueltos

Otra explicación es que los gases disueltos en el agua caliente son expulsados, cambiando algunas propiedades del agua, y estos cambios pueden explicar este efecto. La falta de gas disuelto puede cambiar la capacidad de transferencia de calor del agua, o la cantidad de calor necesaria para congelar una unidad de masa de agua, o el punto de congelación. Es cierto que el agua caliente retiene menos gases disueltos que el agua fría; el agua hirviendo expulsa la mayoría de los gases disueltos. La pregunta es si esto puede afectar significativamente al efecto Mpemba. Hasta donde yo sé, no existe ningún trabajo teórico que respalde esta explicación.

Hay un experimento que apoya indirectamente esta explicación. Cuando se usa agua que contiene gas para el experimento, se puede ver el efecto Mpemba, pero cuando se usa agua con el gas eliminado, el efecto Mpemba no puede verse. ser visto. Sin embargo, al intentar medir la dependencia de la entalpía de congelación de la temperatura inicial, se descubrió que los gases disueltos en el agua no eran decisivos. Cambiar el contenido de gas en el agua no cambia sustancialmente el efecto Mpemba.

Convección

Se ha propuesto que la temperatura del agua se vuelve no uniforme para explicar el efecto Mpemba. A medida que el agua se enfría, crea gradientes de temperatura y corrientes de convección. En la mayoría de las temperaturas, la densidad del agua disminuye a medida que aumenta la temperatura. A medida que el agua se enfría, se desarrolla una "parte superior caliente": la superficie del agua está más caliente que la temperatura promedio del agua o que el agua en el fondo. Si el agua pierde calor principalmente a través de la superficie, entonces existe una tendencia a que el agua forme un techo caliente y pierda calor más rápido de lo que se esperaría suponiendo una temperatura uniforme. Para una determinada temperatura promedio, cuanto más desigual sea la distribución de la temperatura (es decir, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la parte superior y la inferior), más rápida será la pérdida de calor.

¿Cómo explica la convección el efecto Mpemba? El agua caliente se enfría rápidamente y la convección se produce rápidamente, por lo que la temperatura del agua varía mucho de arriba a abajo.

El agua fría, por el contrario, se enfría más lentamente y, por tanto, desarrolla importantes corrientes de convección más tarde. Por lo tanto, al comparar el agua caliente y el agua fría, el agua caliente tendrá una mayor convección y, por tanto, una velocidad de enfriamiento más rápida. Considere un ejemplo concreto, suponiendo que el agua caliente esté a 70° C y el agua fría a 30° C. Cuando el agua fría está a 30° C, la temperatura es uniforme. Sin embargo, cuando el agua caliente baja de 70° C a un promedio de 30° C, es probable que su superficie esté a más de 30° C, por lo que perderá calor más rápido que el agua a un promedio de 30° C. Esta explicación puede resultar un poco confusa y es posible que desee volver a leer este párrafo y tener cuidado de distinguir entre temperatura inicial, temperatura media y temperatura de la superficie.

De todos modos, si el argumento anterior es correcto, entonces cuando graficamos la temperatura promedio versus el tiempo para el agua caliente y el agua fría, entonces, para algunas temperaturas promedio, el agua caliente se enfría más rápido que el agua fría. Por lo tanto, la curva de enfriamiento del agua caliente no simplemente repetirá la curva de enfriamiento del agua fría, sino que caerá más rápido en el mismo rango de temperatura.

Esto demuestra que el agua caliente viaja más rápido, pero también le queda un camino más largo por recorrer. Por lo tanto, aún se desconoce a partir de la discusión anterior si el agua caliente puede alcanzar el punto final (es decir, 0 °C) primero. Para saber quién terminará primero, es necesario construir un modelo teórico de convección (que es prometedor para la mayoría de las formas y tamaños de contenedores), y nadie lo ha hecho todavía. Por tanto, es posible que la convección por sí sola pueda explicar el efecto Mpemba, pero se desconoce si puede hacerlo. Debido a nuestras expectativas, los experimentos sobre el efecto Mpemba a menudo se refieren a "hot top". Hay experimentos que pueden ver la convección, pero sus implicaciones para el efecto Mpemba aún no están del todo claras.

Cabe destacar que la densidad del agua alcanza un valor mínimo a 4° C. Por lo tanto, por debajo de 4° C, la densidad del agua disminuirá debido a la disminución de la temperatura y se formará una "cima caliente". Esto complica la situación.

Entorno circundante

El agua caliente puede cambiar el entorno circundante, provocando que se enfríe más rápidamente en el futuro. Un experimento informó que los datos experimentales cambiarán con el cambio del tamaño del refrigerador (o el tiempo que tarda en formarse hielo fino en la superficie del agua no se puede aplicar a estos experimentos).

Cuatro. Referencias

Historia

· 1. Aristóteles en E. W. Webster, "Meteorologica I", Oxford U. P., Oxford, 1923, pgs 348b--349a

· 2 Bacon F 1620 Novum Organum Vol VIII de "The Works of Francis Bacon" 1869 ed. J Spedding, R. L. Ellis y D. D. Heath (Nueva York) pp235, 337, citado en T. S. Kuhn 1970 "The Structure of Scientific Revolutions" 2ª ed. Chicago: University of Chicago Press), pág. 16

· 3. Descartes R 1637, "Les Meteores" 164 publicado con "Discours de la Methode" (Leyden: Ian Marie) 1637, citado en "Oeuvres de Descartes" Vol. VI 1902 ed. Adam and Tannery (París: Leopold Cerf) pág. 238 (trad. F. C. Frank)

· 4. Clagett, Marshall, "Giovanni Marliani and Late Medieval Physics", AMS press , Inc., Nueva York, 1967, páginas 72, 79, 94

Experimentos sobre el efecto Mpemba

· 5. Mpemba y Osborne, Phys., "Cool". vol. 4, páginas 172--5 (1969)

· 6. Ahtee, Phys., "Investigación sobre la congelación de líquidos", vol. 4, páginas 379--80 (1969).

· 7. I. Firth, Phys. Educ., "Cooler?", vol. 6, págs. 32--41 (1979)

· 8. E. Deeson, Phys. Educ., "Cooler-lower down", vol. 6, págs. 42--44 (1971)

· 9. Osborne, "Mind on Ice", Educ. págs. 414--17 (1979)

· 10. M. Freeman, "Cooler Still", Phys. 14, págs. 417--21 (1979)

· 11. G.S. Kell, "The Freezing of Hot and Cold Water", American Journal of Physics, vol 37, #5, págs. 564--5, (mayo de 1969)

· 12. D. Auerbach, "Supercooling y el efecto Mpemba: cuando el agua caliente se congela más rápido t

han cold", American Journal of Physics, vol. 63, #10, págs. 882--5, (octubre de 1995)

· 13. J. Walker, "The Amateur Scientist", Sci. Am. , vol. 237, #3, págs. 246--7, (septiembre de 1971)

· 14. B. Wojciechowski, "Freezing of Aqueous Solutions Containing Gases", Cryst Res., vol. 23, #7, págs. 843--8 (1988)

Discusión sobre el efecto Mpemba

· 15. New Scientist, vol. , pág. 515

· 16. New Scientist, 2 de diciembre de 1995, pág. 22

· 17. New Scientist, vol 42, #654, 19 de junio de 1969, págs. 6

· 18. New Scientist, vol. 43, #657, 10 de julio de 1969, págs. 88--9

· 19. New Scientist, vol. 17 de julio de 1969, págs. 158--9

· 20. New Scientist, vol 43, #658, 25 de septiembre de 1969, pág. 662

· 21. New Scientist, vol. 44, #672, 23 de octubre de 1969, pág. 205

· 22. New Scientist, vol. 45, #684, 15 de enero de 1970, págs. 125--6

· 23. New Scientist, vol. 45, #686, 29 de enero de 1970, páginas 225--6

· 24. New Scientist, 2 de diciembre de 1995, página 57

· 25. New Scientist, 16 de marzo de 1996, pág. 58