Το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα απ’ ό,τι το κρύο;

In Επιστήμη by Γιώργος Γιώτης2 Comments

Για πρώτη και τελευταία φορά: Το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα απ’ ό,τι το κρύο; Μερικοί άνθρωποι ορκίζονται ότι είναι αλήθεια. Υπάρχει μια σαφής επιστημονική απάντηση;

pagakiaΛοιπόν, και ναι και όχι. Συγγνώμη γι’ αυτό.

Αυτή η διένεξη κρατά από τις αρχές του δέκατου έβδομου αιώνα, όταν ο σερ Φράνσις Μπέικον έγινε μέλος της λέσχης εκείνων που πιστεύουν ότι το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα. Η μόνη κατάλληλη απάντηση σε αυτήν τη σπαζοκεφαλιά είναι: «Εξαρτάται». Εξαρτάται από το πώς ακριβώς γίνεται το πάγωμα. Το πάγωμα του νερού μπορεί να φαίνεται σαν η πιο απλή διαδικασία, αλλά υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν το αποτέλεσμα. Πόσο ζεστό είναι το ζεστό για σένα; Πόσο κρύο είναι το κρύο για σένα; Για πόσο νερό μιλάμε; Σε τι είδους δοχείο βρίσκεται το νερό; Πόση επιφάνεια καλύπτει το νερό; Πώς θα κρυώσει; Και τι ακριβώς εννοούμε όταν λέμε «παγώνει πιο γρήγορα;»

Μιλάμε για ένα λεπτό στρώμα πάγου στην επιφάνεια ή για μια στερεή παγοκολόνα;

Ας ακούσουμε μερικούς συμφωνούντες και διαφωνούντες με την άποψη ότι το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα.

Διαφωνών: Είναι αδύνατον! Το νερό πρέπει να φτάσει στους 32 βαθμούς Φαρενάιτ (μηδέν βαθμούς Κελσιου) προτού παγώσει. Το ζεστό νερό έχει περισσότερο δρόμο, άρα είναι αδύνατον να κερδίσει την κούρσα.

Συμφωνών: Ναι, αλλά η ταχύτητα με την οποία η θερμότητα φεύγει διά της μεταγωγής από ένα αντικείμενο είναι μεγαλύτερη όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του αντικειμένου και του περιβάλλοντος είναι μεγαλύτερη. Όσο πιο θερμό είναι ένα αντικείμενο, λοιπόν, τόσο πιο γρήγορα θα κρυώσει σε βαθμούς ανά λεπτό. Επομένως, η θερμότητα θα φύγει πιο γρήγορα από το ζεστό νερό και θα κρυώσει πιο γρήγορα.

Διαφωνών: Ίσως. Αλλά ποιος μας λέει ότι η θερμότητα φεύγει διά της μεταγωγής; Υπάρχει επίσης η μεταφορά μέσω ρευμάτων και η ακτινοβολία. Τέλος πάντων, αυτό θα σήμαινε μόνο ότι το ζεστό νερό μπορεί να προλάβει το κρύο νερό στην κούρσα προς τους 32 βαθμούς Φαρενάιτ (μηδέν βαθμούς Κελσίου). Αλλά ποτέ δε θα το προσπεράσει. Ακόμη κι όταν το ζεστό νερό φτάσει στην ίδια θερμοκρασία με το κρύο νερό, και τα δύο θα συνεχίσουν να κρυώνουν με την ίδια ταχύτητα. Στην καλύτερη περίπτωση, θα παγώσουν ταυτόχρονα.

Συμφωνών: Α, ναι;

Διαφωνών: Ναι!

Έχοντας φτάσει στο σημείο όπου η λογική παραμερίζεται, θα μεσολαβήσουμε δηλώνοντας ότι μέχρι στιγμής οι διαφωνούντες βρίσκονται στο σωστό δρόμο. Είναι προφανές ότι υπό ίδιες, απόλυτα ελεγχόμενες συνθήκες, το ζεστό νερό ποτέ δε θα πάγωνε πιο γρήγορα από το κρύο νερό. Το πρόβλημα είναι ότι το ζεστό και το κρύο νερό εκ φύσεως δε λειτουργούν υπό τις ίδιες συνθήκες. Ακόμη κι αν είχαμε δύο όμοια, ανοιχτά δοχεία, που κρύωσαν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, υπάρχουν αρκετοί παράγοντες που πιθανώς θα έδιναν τη νίκη στο ζεστό νερό. Να ορισμένοι από αυτούς:

  • Το ζεστό νερό εξατμίζεται πιο γρήγορα απ’ ό,τι το κρύο νερό. Αν ξεκινήσουμε με τις ίδιες ακριβώς ποσότητες νερού (που είναι απαραίτητο, φυσικά), στο δοχείο με το ζεστό νερό θα έχει μείνει λιγότερο νερό όταν εκείνο φτάσει στη θερμοκρασία των 32 βαθμών Φαρενάιτ (μηδέν βαθμών Κελσίου). Όπως είναι φυσικό, το λιγότερο νερό θα παγώσει σε λιγότερο χρόνο.

Αν νομίζεις ότι το αποτέλεσμα της εξάτμισης είναι ασήμαντο, σκέψου αυτό: Στις συνηθισμένες θερμοκρασίες του ζεστού και του κρύου νερού που βγαίνει από τις βρύσες του σπιτιού σου (140 και 75 βαθμοί Φαρενάιτ), το ζεστό νερό εξατμίζεται περίπου επτά φορές πιο γρήγορα απ’ ό,τι το κρύο. Μέσα στο διάστημα μιας ή δύο ωρών, ένα δοχείο με ζεστό νερό θα έχει αδειάσει σημαντικά από τη γρήγορη εξάτμιση. Φυσικά, καθώς το ζεστό νερό κρυώνει, η ταχύτητα εξάτμισής του μειώνεται σταδιακά. Παρ’ όλα αυτά, καθώς κατεβαίνει η θερμοκρασία, πιθανώς να χαθεί μια σημαντική ποσότητα νερού.

  • Το νερό είναι για πολλούς λόγους ένα ασυνήθιστο υγρό. Ένας από αυτούς είναι ότι απαιτεί αρκετά μεγάλη θερμότητα, σχετικά, για να ανεβάσει τη θερμοκρασία ανά βαθμό. (Τεχνικός όρος: Το νερό έχει υψηλή θερμοχωρητικότητα.) Αντίστροφα, αποβάλλει αρκετά μεγάλη θερμότητα για να ρίξει τη θερμοκρασία του ανά βαθμό. Αν ένα δοχείο περιέχει ελάχιστα λιγότερο νερό, επομένως, ίσως απαιτήσει αρκετά λιγότερη ψύχρανση για να φτάσει στη θερμοκρασία πήξεως. Συνεπώς, αν το δοχείο που αρχικά περιείχε ζέστό νερό έχει χάσει έστω και ελάχιστο νερό από εξάτμιση, ίσως φτάσει στο σημείο πήξεως αρκετά πιο γρήγορα απ’ ό,τι το νερό στο άλλο δοχείο. Δηλαδή, μπορεί πραγματικά να προσπεράσει το κρύο νερό και να κόψει πρώτο το νήμα. Επιπλέον, από τη στιγμή που έχει φτάσει στο σημείο πήξεως, από το νερό πρέπει να αφαιρεθεί αρκετή παραπανίσια θερμότητα για να γίνει πραγματικά πάγος: Ογδόντα θερμίδες για κάθε γραμμάριο. Πάλι, λοιπόν, ελάχιστα λιγότερο νερό μπορεί να σημαίνει ότι απαιτείται αρκετά λιγότερη ψύχρανση για να παγώσει.
  • Η εξάτμιση είναι διαδικασία ψύχρανσης. Το ζεστό νερό που εξατμίζεται πιο γρήγορα δέχεται επομένως λίγη παραπανίσια ψύχρανση από τη διαδικασία της εξάτμισης, ανεξάρτητη από την ψυχρανση που δέχονται και τα δύο δοχεία. Πιο γρήγορη ψύχρανση μπορεί να σημαίνει και πιο γρήγορη ψύξη.
  • Το ζεστό νερό περιέχει λιγότερο διαλυμένο αέρα απ’ ό,τι το κρύο νερό. Οτιδήποτε, συμπεριλαμβανομένων και των αερίων, διαλυθεί στο νερό κάνει το νερό να παγώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Όσο περισσότερος αέρας (ή οτιδήποτε άλλο) είναι διαλυμένος στο νερό τόσο πιο χαμηλή πρέπει να είναι η θερμοκρασία πήξεως για να παγώσει. Αφού περιέχει λιγότερο αέρα, το ζεστό νερό δε χρειάζεται να ψυχθεί σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία όσο το κρύο νερό, και μπορεί να παγώσει πιο γρήγορα.

Όμως, αυτό το τελευταίο πολυχρησιμοποιημένο επιχείρημα μπάζει νερά, τρόπος του λέγειν. Η μείωση του σημείου πήξεως εξαιτίας του διαλυμένου αέρα αντιστοιχεί μόνο σε δύο χιλιοστά του ενός βαθμού. Παρ’ όλα αυτά (πάντα υπάρχει ένα παρ’ όλα αυτά), πολλοί άνθρωποι ισχυρίζονται πως όταν οι σωλήνες νερού παγώνουν σε ένα σπίτι χωρίς θέρμανση το χειμώνα, είναι συνήθως οι σωλήνες του ζεστού νερού — οι οποίοι προηγουμένως περιείχαν ζεστό νερό — εκείνοι που παγώνουν πρώτοι. Αν, επομένως, τα λάβουμε όλα υπόψη, είναι αρκετά πιθανό ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, ένας κουβάς με ζεστό νερό, τον οποίο έχουμε αφήσει έξω το χειμώνα, θα παγώσει πιο γρήγορα απ’ ό,τι ένας κουβάς με κρύο νερό. Οι ισχυρισμοί των Καναδών, οι οποίοι το έχουν δει να συμβαίνει πολλές φορές, έχουν γίνει πιστευτοί, ακόμη και από επιστήμονες «που γνωρίζουν καλύτερα», και από άλλους σκεπτικιστές. Ο σημαντικότερος και πιο πιθανός παράγοντας σε αυτή την περίπτωση είναι η απώλεια νερού εξαιτίας της εξάτμισης. Πάντως, έπειτα από εκτεταμένες έρευνες, δεν έχει αποκαλυφθεί ακόμη ο λόγος που οι Καναδοί αφήνουν κουβάδες με νερό έξω το χειμώνα.

Υπάρχουν όμως μερικές σπαζοκεφαλιές ακόμη. Πρώτα απ’ όλα, ένα δοχείο με νερό δεν ψυχραίνεται ομοιόμορφα σε ολόκληρο τον όγκο του παρά μόνο όταν η θερμοκρασία όλου του περιεχομένου κατεβεί στους 0 βαθμούς Κελσίου, οπότε και παγώνει. Επομένως, ψυχραίνεται ακανόνιστα, ανάλογα με το σχήμα και το πάχος του δοχείου, το υλικό κατασκευής του, τα ρεύματα αέρα που επικρατούν, και αρκετούς άλλους διαφορετικούς παράγοντες. Το πρώτο λεπτό στρώμα πάγου που θα δημιουργηθεί στην επιφάνεια, επομένως, μπορεί να είναι λιγάκι τυχαίο, και μπορεί να μη δίνει την ένδειξη ότι και το υπόλοιπο νερό είναι έτοιμο να παγώσει. (Ο πρώτος πάγος που σχηματίζεται είναι πάντα στην επιφάνεια του νερού.)

Δεύτερον, πίστεψέ το ή όχι, το νερό μπορεί να ψυχρανθεί και κάτω από τους 32 βαθμούς Φαρενάιτ (0 βαθμούς Κελσίου) χωρίς να παγώσει. Μπορεί να υπερφυχρανθεί, κι όμως να μην κρυσταλλοποιηθεί σε πάγο, εκτός αν υπάρξει κάποιος εξωτερικός παράγοντας που θα το ωθήσει να παγώσει. Τα μόρια μπορεί να είναι καθ’ όλα έτοιμα να πάρουν τη δύσκαμπτη θέση που απαιτείται για το σχηματισμό κρυστάλλων, αλλά να χρειάζονται μια τελική ενθάρρυνση, ίσως με τη μορφή ενός κόκκου σκόνης που θα μαζέψουν, ή ίσως από κάποια ατέλεια στο τοίχωμα του δοχείου.

Λαμβάνοντας υπόψη όλες αυτές τις αβεβαιότητες, πότε ακριβώς μπορούμε να πούμε ότι ένα δοχείο με νερό έχει «παγώσει»; Οι δύο κουβάδες με νερό τρέχουν στην κούρσα χωρίς να υπάρχει μια ξεκάθαρη, καθορισμένη γραμμή τερματισμού.

Αν τα λάβουμε όλα υπόψη, το πιο σωστό που θα μπορούσαμε να πούμε είναι: «Το ζεστό νερό μπορεί να παγώσει πιο γρήγορα απ’ ό,τι το κρύο νερό. Μερικές φορές».

9435120882397553681

ΔΟΚΙΜΑΣΕΣ ΑΥΤΟ

Αν έχεις μπει στον πειρασμό να τρέξεις στην κουζίνα και να γεμίσεις δύο παγοθήκες με νερό, μια με ζεστό και μία με κρύο, και να τις βάλεις στον καταψύκτη για να δεις ποια θα παγώσει πρώτη, μην κάνεις τον κόπο. Υπάρχουν πάρα πολλές μη ελεγχόμενες μεταβλητές – παράγοντες που δεν μπορείς να ελέγξεις. Μπορεί να έχεις το ένα αποτέλεσμα τη μια φορά και το άλλο την επόμενη. Αυτό είναι το πρόβλημα με τους ανθρώπους που λένε: «Ξέρω ότι γίνεται, το δοκίμασα», αναφερόμενοι σε οτιδήποτε, από το πάγωμα νερού ως τη θεραπεία για τις κρεατοελιές. Πρέπει να εξετάσεις οτιδήποτε θα μπορούσε να επηρεάσει το αποτέλεσμα. Και υπάρχουν δεκάδες πτυχές που δεν έχεις υποψιαστεί, ακόμη και σε κάτι τόσο φαινομενικά απλό όπως το να φτιάξεις παγάκια.

Από το βιβλίο όσα δεν ήξερε ο Αινστάιν

 Γιώργος Γ – antichainletter

Γιώργος Γιώτης

Γιώργος Γιώτης

Αρθρογράφος - Ερευνητής
Γιώργος Γιώτης
  • Jonathan

    Επισης και ο παραγοντας της ατμοσφαιρικης πιεσης παιζει εναν μικρο ρολο αν το δοκιμασουμε σε ανοιχτο χωρο γιατι στις πολυ υψηλες πιεσεις το νερο γινεται παγος παραδειγμα το κονφλερ.

  • george

    μπραβο για αλλη μια φορα !!!!
    ωραιο θεμα, ωραια ερευνα.
    πριν δυο χρονια εχε γινει αφορμη για διαγωνισμο απο την royal society of chemistry . παραθετο λινκς απο τον νικητη και την εξηγηση του και καποιους ορισμους των ακαταλαβιστικων ορων που αναφερει
    http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp
    http://en.wikipedia.org/wiki/Convection
    http://en.wikipedia.org/wiki/Supercooling

    http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect#cite_note-16