Dlaczego ciepła woda zamarza szybciej?

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang z Singapuru twierdzą, że rozwiązali zagadkę, z którą od tysięcy lat zmagali się uczeni. Od dawna wiadomo, że gorąca woda zamarza szybciej, niż woda chłodniejsza. Dotychczas nie było wiadomo, dlaczego tak się dzieje.

Zespół z Singapuru uważa, że rozwiązanie zagadki tkwi w niewielkich ilościach energii przechowywanych w rozciągniętych wiązaniach wodorowych. Molekuły wody składają się z atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Ponadto atomy wodoru z każdej molekuły są przyciągane przez atomy tlenu z sąsiednich molekuł. Jednocześnie atomy tlenu odpychają się od siebie nawzajem. Singapurczycy zauważyli, że im cieplejsza woda, tym większe siły odpychania i tym większe odległości pomiędzy molekułami. Taka sytuacja powoduje, że wiązania wodorowe są rozciągnięte. A rozciągnięcie wiązań oznacza, że przechowywana jest w nich energia. Zdaniem uczonych, w miarę jak woda się ochładza, wiązania wodorowe się kurczą i uwalniają energię. Ciepła woda podczas ochładzania się uwalnia więcej nergii niż woda chłodniejsza, dzięki czemu zamarza szybciej.

Naukowcy z Singapuru podkreślają, że to jedynie hipoteza, którą trzeba jeszcze udowodnić.

« powrót do artykułu

[Hannibal 0]

Coś mi tu nie pasuje. Woda musi uwolnić jeszcze jakąś dodatkową energię i dlatego zamarza szybciej? Jak by było odwrotnie i zacieśnianie wiązań wodorowych pobierało energię to by było zrozumiałe, bo woda by musiała uwolnić jej sumarycznie mniej.

 

Ala cała ta teoria nie wydaje mi się wiarygodna, gdyby ten efekt był znaczący (w jakąkolwiek stronę) to by był wzięty pod uwagę przy wyznaczaniu ciepła właściwego (ewentualnie krzepnięcia) wody już dawno temu.

[radar 104]

A mi się zawsze wydawało, że ma to związek z szybszym ruchem cieplejszych cząstek. Im są cieplejsze tym szybciej się poruszają i tym szybciej przekazują (w tym przypadku oddają) energię, a co za tym idzie woda szybciej zamarza (a np. gaz się szybciej wychładza i/lub szybciej rozprasza).

[zbychoo 0]

A mi się zawsze wydawało, że ma to związek z szybszym ruchem cieplejszych cząstek. Im są cieplejsze tym szybciej się poruszają i tym szybciej przekazują (w tym przypadku oddają) energię, a co za tym idzie woda szybciej zamarza (a np. gaz się szybciej wychładza i/lub szybciej rozprasza).

 

Pierwsza część się zgadza im wyższa temperatura wody tym szybciej oddaje ciepło. Jednak im temperatura niższa tym mniej ciepła oddaje, tak więc gdy dojdzie do takiej samej temperatury co inny zbiornik z niższą temperaturą to będzie oddawać tyle samo ciepła.

[TrzyGrosze 67]

Od dawna wiadomo, że gorąca woda zamarza szybciej, niż woda chłodniejsza.

Od dawna ta ja uważałem, że to miejski mit cioci Jadzi, i nie wchodziłem w jakiekolwiek dyskusje na ten temat. A tu patrzcie, to jest realna ciekawostka i fizycy mają problem z taką prozaiczną sprawą.

[radar 104]

Pierwsza część się zgadza im wyższa temperatura wody tym szybciej oddaje ciepło. Jednak im temperatura niższa tym mniej ciepła oddaje, tak więc gdy dojdzie do takiej samej temperatury co inny zbiornik z niższą temperaturą to będzie oddawać tyle samo ciepła.

Niezupełnie musi tak być, przynajmniej moja intuicja podpowiada mi coś "innego". Gdy rozpoczynamy proces chłodzenia cieczy zimnej, to energia oddawana jest od powierzchni i wolno/stopniowo "schodzi" w głąb cieczy poprzez wymianę energii. Gdy rozpoczynamy proces chłodzenia cieczy gorącej to owszem (albo właśnie być może), dojdziemy do momentu, w którym ma ona tą samą temperaturę co ta zimniejsza, ale proces zachodzi "już" dużo gwałtowniej. Zimno schodzi w głąb cieczy szybciej, jakby siłą bezwładności, powodując, że ciecz wychładza się tak jakby na większej powierzchni, w "całej objętości", a nie stopniowo od powierzchni jak poprzednio. Sprawdźcie sobie jak mieszają się płyny. Zróbcie sobie w przeźroczystej szklance wodę z sokiem, raz z wodą zimną, a raz z gorącą. Mieszanie się jest oczywiście wtedy bardziej gwałtowne.

[wilk 103]

rozwiązali zagadkę, z którą od tysięcy lat zmagali się uczeni

 

To to była jakaś zagadka?

 

Myślałem, że od dawna było jasne, że cieplejsza woda posiada bardziej energetyczne cząsteczki i poprzez to szybciej może oddać energię. Powiedziałbym raczej, że zbadali podstawy leżące u przyczyn tego zjawiska, a nie rozwiązali rozwiązaną zagadkę.

 

To odrobinkę tak jak z mitem o zamarzaniu w przestrzeni kosmicznej.

[thikim 119]

To że przy dużej różnicy temperatur szybciej jest oddawane ciepło to prawie każdy wie. I nie o to chodzi w tym zjawisku.

Hmm, szczerze mówiąc nic mi nie wiadomo o tym żeby to była jakaś zagadka od tysięcy lat?

[konrad.g 0]

Zadam pytanie, byłbym wdzięczny, żeby jakiś mądry człek mi to wyjaśnił. Podczas zamrazania wody woda powoli schodzi temperaturą w dół. Oznacza to, że przejdzie przez całą skale temperatur zmierzając do zera. Zatem także do tej temperatury, od której jeśli by rozpocząć proces zamrzazania proces przechodziłby wolniej. Oznacza to, że są różne stany wody w tej samej temperaturze. Czym innym jest zamrzająca woda mająca aktualnie 10 stopni, ale ze startową temperatura 30 stopni, od wody mającej 10 stopni, ale zamrzającej ze startową temperatura 20 stopni. Czy dobrze rozumiem, że dwie wody mające tą samą temperature będą inaczej się zachowywać ?

[Usher 22]

Czy dobrze rozumiem, że dwie wody mające tą samą temperature będą inaczej się zachowywać ?

Mogą, nawet uwzględniając tylko stygnięcie czy ogrzewanie samorzutne do temperatury otoczenia, bez celowego schładzania, podgrzewania czy mieszania.

Temperatura jest wielkością statystyczną będącą miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek wody. Zapoznaj się z rozkładem normalnym, a zobaczysz, że dla tej samej średniej mogą być różne odchylenia od niej. W wodzie, która na początku była gorętsza, prawdopodobnie będzie większy rozrzut szybkości cząsteczek, co oznacza również większą liczbę cząsteczek szybszych, czyli szybszą konwekcję (mieszanie grawitacyjne) i szybsze parowanie, a więc szybszą utratę energii.

Jak widać, szybsze stygnięcie da się wytłumaczyć statystycznie, bez gimnastyki z wiązaniami wodorowymi.

[TrzyGrosze 67]

szybsze stygnięcie da się wytłumaczyć statystycznie, bez gimnastyki z wiązaniami wodorowymi.

Nie zgadzam się z tym zdaniem.

Statystyka zanalizuje, zinterpretuje, wskaże kierunek,korelacje, ale nie wytłumaczy istot żadnego zjawiska. Przecież bez Twojej wiedzy o cząsteczkach wody i związku ich energii z temperaturą, samą statystyką rozwiązałbyś ten problem?

Zresztą do użycia w konkluzji zwrotu " da się wytłumaczyć" jeszcze daleko, skoro w dowodzeniu użyłeś "prawdopodobnie".

 

ps

Swoją drogą, entuzjastycznie przyjmuję tych kilka powyższych tłumaczeń zjawiska, z którym "od tysięcy lat zmagali się uczeni." a skromni uczeni azjatyccy tylko "podkreślają, że to jedynie hipoteza "

przecież, Polak potrafi

[radar 104]

przecież, Polak potrafi

A co, to już nie można mieć swojej własnej hipotezy? Co ja, gorszy jestem? ;P

[TrzyGrosze 67]

Nie

i dlatego jest: Polak potrafi , a nie: Polak potrafi .

[Astroboy 34]

Temperatura jest wielkością statystyczną będącą miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek wody. Zapoznaj się z rozkładem normalnym, a zobaczysz, że dla tej samej średniej mogą być różne odchylenia od niej. W wodzie, która na początku była gorętsza, prawdopodobnie będzie większy rozrzut szybkości cząsteczek, co oznacza również większą liczbę cząsteczek szybszych ...

Mylisz niestety rozkład normalny z rozkładem maxwellowskim. Pierwszy posiadają rzuty prędkości cząstek na wybrany kierunek i zawsze ma on średnią wartość równą zero. Drugi dotyczy wartości prędkości cząstek i ta sama średnia (czyli temperatura) oznacza ten sam rozkład.

 

Swoją drogą odkrycie autorów, "że im cieplejsza woda, [...] tym większe odległości pomiędzy molekułami" jest cenne, choć pewnie stało o tym w podręcznikach pewnie ponadstuletnich.

[Usher 22]

Mylisz niestety rozkład normalny z rozkładem maxwellowskim.

Nie tyle pomyliłem, co z powodu późnej pory przytoczyłem pierwszy z brzegu rozkład jako przykład, że ta sama średnia dla różnych przypadków może oznaczać co innego. Swoją drogą wodzie jako cieczy daleko do gazu doskonałego, więc i rozkład Maxwella nie bardzo pasuje - trzeba choćby oskubać część wykresu dla najszybszych cząsteczek, których w wodzie po prostu prawie nie ma, bo wyparowały.

 

Po namyśle uznaję, że można jakoś powiązać rozkład Maxwella z wiązaniami wodorowymi, jeśli założyć, że w wodzie mamy nie tylko swobodnie pływające cząsteczki czy jony lecz także klastry z wielu cząsteczek czy jonów połączonych właśnie wiązaniami wodorowymi. Z rozkładu Maxwella wynika, że prędkości cząstek (atomów, cząsteczek chemicznych czy klastrów) zależą od temperatury oraz masy molowej, tylko że w przypadku wody na średnią masę molową zauważalny wpływ mają liczne klastry. Przy obniżaniu temperatury powstaje i więcej klastrów, i większe klastry, więc rośnie średnia masa molowa, co oznacza dodatkowy spadek szybkości cząstek, czyli szybszy spadek temperatury. Klastrów jednak nie może przybywać w nieskończoność, nie mogą też w nieskończoność rosnąć, więc w niższych temperaturach stygnięcie spowalnia.

 

Spróbuj teraz znaleźć luki w wywodzie.

[Astroboy 34]

Nie tyle pomyliłem, co z powodu późnej pory przytoczyłem pierwszy z brzegu rozkład jako przykład, że ta sama średnia dla różnych przypadków może oznaczać co innego.

 

Dobra, dobra. Po nocach albo się śpi, albo pracuje ze świerzym umysłem.

 

"Swoją drogą wodzie jako cieczy daleko do gazu doskonałego"

Owszem, masz słuszność, ale nie chciałem wchodzić w szczególy.

 

"Po namyśle uznaję, że można jakoś powiązać rozkład Maxwella z wiązaniami wodorowymi, jeśli założyć, że w wodzie mamy nie tylko swobodnie pływające cząsteczki czy jony lecz także klastry z wielu cząsteczek czy jonów połączonych właśnie wiązaniami wodorowymi."

Nie można. Masz zmienną masę cząstki - masz ZUPEŁNIE różne rozkłady zależne od temperatury. Generalnie, to nie masz nawet cząstki, tylko pewną mieszaninę. Maxwell walnąłby Ci z liścia.

 

"Przy obniżaniu temperatury powstaje i więcej klastrów, i większe klastry, więc rośnie średnia masa molowa" Nooo. I mamy anomalną rozszerzalność termiczną wody. Jedziemy dalej?

 

"Klastrów jednak nie może przybywać w nieskończoność, nie mogą też w nieskończoność rosnąć, więc w niższych temperaturach stygnięcie spowalnia." Widzisz, klasyczna fizyka jakoś nie znosi nieskończoności. Właściwie KAŻDA fizyka. Widzisz, tu twój wywód (słowowzwód?) trafia na wewnętrzną sprzeczność - przed chwilą mówiliśmy o anomalnej rozszerzalności wody. Dostrzegasz sprzeczność ze swoim słowotokiem? Czy potrzebujesz większego młotka?

 

"Spróbuj teraz znaleźć luki w wywodzie." :D

To był chyba wywód na czyjś wzwód (nie mój!)

[dajmon 14]

A ja chciałbym się najpierw dowiedzieć co to jest "woda ciepła" i co to jest "woda chłodniejsza".

[Astroboy 34]

W ciepłej wodzie cząstki popierdzielają średnio bardziej, niż w wodzie chłodnej. Inaczej - gdyby każda spotkana przez Ciebie cząstka w wodzie przywalała z liścia, to w wodzie cieplejszej odczuwałbyś większy ból (generalie rozmawiamy o wodzie przy temperaturze powyżej 4 st. C)

Edit: właściwie nie ma to znaczenia (po krótkim namyśle) - chodzi o ostatnią implikację

A właściwie, by nie było jakichkolwiek niedomówień, możemy powiedzieć o 'średniej' energii 'średniej cząstki'.

[adf88 0]

Kiedyś rozmyślałem nad tym problemem szybszego zamarzania i rozwiązanie wydaje się być banalne.

 

Jak słusznie zauważacie, ta woda już stygnąca o średniej temperaturze X zamarznie szybciej niż woda o temp. X dopiero co wstawiona do zamrażalki. Muszą się one jakoś różnić. Jedna musi szybciej oddawać ciepło od drugiej. Dlaczego tak się dzieje? Kluczem jest tu nierównomierne rozłożenie temperatury w wodzie już stygnącej. I nie chodzi o fluktuacje na poziomie molekularnym, nieee. Nie chodzi też o wspomnianą "bezwładność", strumień ciepła nie może nabrać "pędu". Ja widzę to tak:

1. Dzięki konwekcji cieplejsza woda będzie gromadzić się w górnej części naczynia a zimniejsza w dolnej - woda "już stygnąca" będzie miała temperaturę >X przy powierzchni a <X na dnie

2. Woda dopiero wstawiona będzie miała równo rozłożoną temperaturę - X przy powierzchni, X przy dnie.

3. Woda oddaje ciepło najszybciej przy powierzchni - tam gdzie ma kontakt z powietrzem.

4. Woda cieplejsza szybciej oddaje ciepło niż zimniejsza

5. BINGO

 

Podsumowując. W wodzie już stygnącej ciepło będzie zgromadzone w górnej części naczynia czyli tam, gdzie woda stygnie szybciej.

 

[Astroboy 34]

"Dzięki konwekcji cieplejsza woda będzie gromadzić się w górnej części naczynia a zimniejsza w dolnej - woda "już stygnąca" będzie miała temperaturę >X przy powierzchni a <X na dnie"

A to ciekawa konwekcja - ogrzewa ciecz przy powierzchni?

 

"Woda cieplejsza szybciej oddaje ciepło niż zimniejsza" To prawda, podobnie jak stwierdzenie, że gorący grzejnik szybciej ogrzewa pomieszczenie, niż zimny. Ale narysuj sobie dwie krzywe stygnięcia, o różnej temperaturze początkowej - masz dwie malejące funkcje wykładnicze o tej samej asymptocie poziomej. Krzewe NIGDY się nie przecinają!

[adf88 0]

Z tą konwekcją chodziło mi o to, że zimna woda grawitacyjnie opada na dno a ta od niej cieplejsza płynie w górę. Konwekcja nie powoduje różnicy temperatur, jest jej konsekwencją. Różnica temperatur spowodowana jest tym, że woda stygnie szybciej przy powierzchni.

 

Woda mając kontakt z powietrzem stygnie szybciej. Dużo szybciej. Nie chodzi tu o jakieśtam współczynnik przenikalności cieplnej (sorry za brak profesjonalizmu, mam nadzieję, że wiecie o co mi chodzi), że niby szkło/plastik ma ten współczynnik mniejszy/większy. Parowanie - ucieka w zasadzie niewiele wody, ale zabiera mnóstwo energii.

 

//EDIT

małe sprostowanie - "Różnica temperatur spowodowana jest tym, że woda stygnie szybciej przy powierzchni." Chodziło mi tu również o powierzchnię styku z naczyniem, że ta woda w głębi naczynia stygnie wolniej.

[Astroboy 34]

"Parowanie - ucieka w zasadzie niewiele wody, ale zabiera mnóstwo energi." Owszem - ciepło parowania jest spore. Dlatego właśnie się pocimy latem

Oznacza to jednak, że otwarta, górna powierzchnia dużo szybciej oddaje ciepło, czyli ochładza się. Konwekcja dostarcza właśnie energię wewnętrzną z niższych, cieplejszych warstw. Ale twoja konstrukcja niewiele tłumaczy. Poza tym, woda cieplejsza nie zawsze zamarza szybciej. Tak się czasem zdarza.

Ponadto, wsadzenie garnka do zamrażarki nie opiszesz prostym modelem - styka się denkiem z rurkami tłoczącymi chłodziwo? No to zwykłe przewodnictwo termiczne jest bardzo istotne i wydajne. Nie wiem, czy nie będzie to silniejszy efekt niż konwekcja. Garnek przykryty, czy też nie, pokryweczką? Itp...

[adf88 0]

Moja konstrukcja tłumaczy fakt, że woda "już schładzana" szybciej zamarznie niż woda "dopiero wstawiona" mimo iż obie mają tą samą ilość ciepła w sobie. Czyż nie?

[Astroboy 34]

Nie.

[adf88 0]

Jak to nie? Gdzie widzisz błąd?

Ja nie twierdzę, że cieplejsza woda będzie zamarzać szybciej. Twierdzę, że JEŚLI woda cieplejsza zamarza szybciej (o tym, że tak się dzieje wiemy doświadczalnie) to wytłumaczeniem tego zjawiska jest mechanizm który opisałem.

 

Ponadto, wsadzenie garnka do zamrażarki nie opiszesz prostym modelem - styka się denkiem z rurkami tłoczącymi chłodziwo? No to zwykłe przewodnictwo termiczne jest bardzo istotne i wydajne. Nie wiem, czy nie będzie to silniejszy efekt niż konwekcja.

Masz rację, odpowiednio mocne schładzanie "od dołu" odwróci sytuację i rezultat będzie zupełnie inny.

 

Garnek przykryty, czy też nie, pokryweczką? Itp...

Oczywiście kształt naczynia, pokryweczka itd. itp. mają tu pierwszorzędne znaczenie. W jednym przypadku konwekcja będzie na tyle silna by nadrobić czas spożytkowany na wstępne schładzanie, w innym nie.