El agua caliente se congela más rápido que el agua fría

Para empezar, "el agua se congela más rápido cuando comienza a calentarse" no es muy preciso . Hay muchos experimentos diferentes que podría probar, en una amplia gama de condiciones iniciales, que podrían dar resultados diferentes. Wikipedia cita un artículo Hot Water Can Freeze Faster Than Cold de Jeng que revisa los enfoques del problema hasta 2006 y propone una definición más precisa del problema:

Existe un conjunto de parámetros iniciales y un par de temperaturas, de modo que, dados dos cuerpos de agua idénticos en estos parámetros, y que difieren solo en temperaturas uniformes iniciales, el caliente se congelará antes.

Sin embargo, incluso esa definición todavía tiene problemas, que Jeng reconoce: primero, está la cuestión de qué significa "congelar" (se forma algo de hielo, o el agua se congela completamente); segundo, la hipótesis es completamente infalsable. Incluso si restringe la hipótesis al rango de condiciones razonablemente alcanzables en la vida cotidiana, para explicar por qué el efecto se observa con tanta frecuencia anecdóticamente, hay literalmente un número infinito de posibles condiciones experimentales para probar, y siempre puede afirmar que las condiciones correctas simplemente no han sido probados todavía.

Por lo tanto, el hecho de que Internet esté inundado de una variedad de explicaciones diferentes tiene mucho sentido: realmente hay un montón de razones diferentes por las que el agua inicialmente más caliente puede congelarse más rápido que el agua inicialmente más fría, según la situación precisa y la definición de "congelar". " que usas.

El artículo al que se vincula, Relajación anómala del enlace O:HO que resuelve la paradoja de Mpemba de Zhang et al., con resultados repetidos en el video de HowStuffWorks, intenta resolver el problema para una subhipótesis muy específica. Eliminan el problema de definir la congelación al tratar la congelación como un sustituto del enfriamiento en general y, en cambio, miden directamente las tasas de enfriamiento. Ese diseño experimental elimina implícitamente una explicación proporcionada por Internet desde el principio: no es posible que se sobreenfríe, porque si el agua se sobreenfría o se solidifica cuando llega a la temperatura de congelación es una cuestión completamente diferente de qué tan rápido se enfría a una temperatura en la que podría congelarse.

También restringen aún más el problema al buscar explicaciones que no se pueden aplicar a ningún otro líquido. Después de todo, el efecto Mpemba se trata de por qué el agua calientese congela más rápido; nadie informa congelamiento anómalo de, digamos, alcohol caliente. Eso podría deberse a que las personas congelan mucho el agua, y no tendemos a trabajar con muchos otros químicos exóticos en la vida cotidiana, pero elegir enfocarse en esa restricción hace que el problema esté más bien definido, y una vez más, descarta implícitamente muchas posibles explicaciones antes de tiempo, es decir, no puede tener nada que ver con la evaporación (porque muchos líquidos se enfrían por evaporación, y eso es hacer trampa de todos modos porque cambia la masa del líquido en consideración) o el acoplamiento de conducción al estante del congelador (porque eso no tiene nada que ver con las propiedades físicas del líquido, y todo que ver con un entorno experimental no controlado, como explica John Rennie .

Entonces, realmente no hay una sola respuesta a "por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría", porque la pregunta está mal planteada. Si le das a alguien una configuración experimental específica, entonces puedes obtener una respuesta específica, y hay muchas respuestas diferentes para diferentes configuraciones. Pero, si quiere saber "por qué el agua inicialmente más caliente se enfría más rápido a través de un rango de temperaturas más bajas que el agua que comenzó a esas temperaturas más bajas, mientras que ningún otro líquido conocido parece comportarse de esta manera" (lo que contribuye a que se congele primero si no se enfría demasiado), Zhang tiene su respuesta, y se debe a la extraña interacción entre las energías de enlace intramoleculares e intermoleculares del agua. Por lo que puedo decir, ese documento aún no se ha replicado, por lo que puede considerarlo no confirmado, pero sa explicación bastante bien razonada para una pregunta muy específica, que probablemente sea un factor influyente en muchas otras situaciones de enfriamiento de agua caliente. Hay un artículo de seguimiento,Paradoja de Mpemba revisada: refuerzo numérico , que proporciona evidencia de simulación adicional para la explicación de la energía de enlace, pero en realidad no puede considerarse una confirmación independiente porque es de los mismos cuatro autores.

Esto sucede debido al efecto de enfriamiento de la evaporación.

Como debe saber, la temperatura del líquido es un factor de evaporación. Entonces, a medida que la temperatura del agua caliente es mayor, la tasa de evaporación también es mayor. Ahora bien, aquí es donde tiene lugar el efecto de enfriamiento de la evaporación. A medida que el agua se evapora, le quita algo de calor y enfría el agua caliente. entonces, como ecuación, podemos escribirla como: Tasa de enfriamiento del agua caliente = efecto de enfriamiento de la evaporación + efecto de enfriamiento del congelador Tasa de enfriamiento del agua fría = efecto de enfriamiento del congelador

Por lo tanto, podemos afirmar que el efecto de enfriamiento del agua caliente es más que el efecto de enfriamiento del agua fría.

También hay una cosa más que afecta la velocidad de enfriamiento. Como las diferencias entre la temperatura del entorno y la temperatura del líquido son mayores en el agua caliente que en el agua fría, el agua caliente se enfría más rápido que el agua fría.

Es por el efecto de convección. La convección es un movimiento fluido (en nuestro escenario) impulsado por la diferencia de temperatura.

En este caso mayor diferencia de temperatura al principio - mayor velocidad del fluido al final. El fluido se está enfriando cerca de las paredes del plato. Esto hace que el agua enfriada se hunda más rápido en esta parte del plato.

La imagen muestra el movimiento del agua en un plato en un ambiente frío. Las flechas muestran la dirección del movimiento del fluido. La flecha negra muestra el lugar donde no hay intercambio de calor con el medio ambiente. Las flechas azules muestran dónde se está enfriando el fluido. Las flechas horizontales no son importantes: el fluido no se acelera en estas áreas.

Vamos a nombrar:

A - recipiente con agua más caliente al inicio del experimento

B - recipiente con agua más fría al inicio del experimento

En el momento en que el agua se congela, la velocidad de circulación del agua en A es mayor que en B. Mayor velocidad del fluido en el plato: mayor intercambio de calor con el ambiente frío. El impulso de circulación del agua provoca inercia en (resistencia al cambio) la relación de intercambio de calor.

Experimento:

Repita el experimento con una rejilla 3D densa dentro de los platos. Rejilla tal que impide movimientos de convección importantes. El movimiento de convección seguirá apareciendo en cada celda de la cuadrícula por separado, pero el efecto será insignificante.

El efecto de evaporación es insignificante.

Vale la pena notar que no importa cuál sea la verdad, hay un momento en el que:

calor medio de A = calor medio de B

Este es el momento exacto en el que A supera a B. En este estado, A tiene alguna otra propiedad en mejores condiciones que B.

En mi opinión, esas propiedades son (como mencioné antes): impulso del fluido y distribución de temperatura (A tiene una temperatura más nivelada que B, B tiene gradientes de temperatura más grandes).

A veces ocurre: Nueva ExplicaciónEl agua inicialmente caliente ha perdido gran parte de su agrupamiento ordenado (mayor entropía) y, si el tiempo de enfriamiento es lo suficientemente corto, no se recuperará por completo antes de congelarse. Los experimentos en el agua de baja densidad alrededor de las macromoléculas han demostrado que tales procesos de agrupamiento pueden llevar algún tiempo. Las curvas de reducción de entropía en función de la temperatura S = f (T) parecen retardarse (retrasarse) en relación con las curvas de crecimiento de entropía. En cualquier punto de temperatura T la entropía S=mclnT durante el enfriamiento es más que esto durante el calentamiento. El agua después de calentarse y volverse a enfriar a la temperatura inicial, tiene más entropía que antes de calentarse. Esto significa que las moléculas ahora tienen la misma energía cinética promedio, pero el movimiento térmico antes del calentamiento estaba más orientado por la estructura antes mencionada.Nueva explicación .

Considere este arxiv.
La mayoría de la gente intuye que dado que en cierto punto se cruzan las curvas T(t) (temperatura vs tiempo) de sistemas con diferentes temperaturas iniciales, el sistema enfriado de alguna manera tiene memoria o es consciente de su protocolo de enfriamiento. Esta última declaración es lo que está causando problemas. Durante el proceso de enfriamiento la definición de temperatura está mal definida ya que el sistema no está en equilibrio. Los protocolos de enfriamiento simplemente transfieren un estado de equilibrio a otro (asintóticamente, por supuesto), a través de estados de no equilibrio. Dado que se considera que las condiciones iniciales son sustancialmente diferentes, la trayectoria de los dos sistemas a través de los estados de no equilibrio también difiere sustancialmente. Diferentes caminos en general atravesados ​​a diferentes velocidades. Esta es la solución a la paradoja y la invitación a investigar protocolos de refrigeración óptimos.

Si está colocando una bandeja de hielo de metal en un estante del congelador que está cubierto con una capa significativa de escarcha, entonces una bandeja caliente derretirá la escarcha (que es un buen aislante) poniendo la bandeja en contacto directo con el elemento del congelador.

La tensión superficial y, por lo tanto, el tamaño de las gotas en caída libre del agua depende de su temperatura. Por lo tanto, el agua lanzada al aire formará gotas más pequeñas con una mayor superficie total a temperaturas más altas del agua. Una mayor relación entre el área superficial y la masa permite una transferencia de calor más rápida con el aire a través del cual cae por conducción.

En aire muy frío, es posible lanzar una taza de agua hirviendo al aire y hacer que se convierta en nieve antes de que caiga, debido a la gran superficie total de las gotitas así formadas. En estas condiciones, es factible que una taza de agua fría, que formaría gotas más grandes, tarde más en alcanzar el punto de congelación.

Desafortunadamente, en este momento no hace suficiente frío aquí para llevar a cabo tal experimento.