Vand fra flydende til fast form
Hej Spørg om Fysik
Jeg så som barn en dokumentar om nogle polarforskere. De gik udenfor for at demonstrere hvor ekstrem kulden var, ved at kaste et glas vand op i luften, der straks frøs til is/krystalliserede. Hvor lav skal temperaturen være for at kunne gøre det?
Jeg har desuden prøvet at google mig frem til et svar, og faldt over at vand under visse forhold fryser hurtigere når det er varmt end når det er koldt, også kaldet Mpemba effekten. Men jo mere jeg prøver at komme til bunds i fænomenet, jo mere mystisk synes det. Er der overhovet fundet en endelig forklaring på dette fænomen der har været beskrevet af både Bacon, Descartes og Aristoteles?
Jeg håber I kan hjælpe mig,
Med venlig hilsen
SL
Hvor hurtigt fryser vand? Den laveste temperatur målt på jorden er, så vidt jeg har kunnet få oplyst, -89,2 ⁰C på Vostok station Antarktis i 1983, og det må også siges at være en rimelig lav temperatur.
Hvis vi antager, at et glas vand indeholder 100 ml vand ved 0 ⁰C, kan man så beregne, hvor meget energi der skal til at fryse det, det bliver 0,1 kg * 334 kJ/kg eller 33,4 kJ. Er vandets temperatur højere, skal der mere energi til, for først at køle det ned til 0 ⁰C.
Billede fra området ved sydpolen.
Man kan nu beregne, hvor meget luft der skal til at fryse denne væskemængde. Luftens specifikke varmekapacitet, dvs. den energimængde der skal til at opvarme 1 g luft 1 grad, er ca. c = 1,005 J/(g*K), det tager vi så som gennemsnit. Luften opvarmes fra ca. -90 ⁰C til 0 ⁰C. For at fryse vandet kræves altså 369 g luft,. 29 g luft ved 0 ⁰C er 22,4 liter dvs. vandet skal i kontakt med 285 liter luft dog ved - 90 ⁰C kun ca. 190 l luft. Det er en del, og det forekommer lidt usandsynligt, at det skulle kunne ske i luften, med mindre vandet slynges ud på en måde, så det er meget findelt i et stort rumfang. Der kommer ekstra køling fra fordampning, men den tid vandet er i luften er under et sek så det hele skal gå hurtigt. Det kan hverken bekræftes eller afkræftes uden forsøg, jeg har ikke set billeder af det.
Mpemba effekten
Det er den effekt at det er iagttaget at en beholder med ensartet varmt vand kan fryse før en tilsvarende beholder med ensartet koldt vand. Det er et ret indviklet forhold, som ikke er endeligt afklaret. Det er noteret sket af mange igennem årene. Der vil i en beholder med varmt vand være kraftigere strømninger end i en beholder med koldt vand, derfor i starten hurtigere nedkøling. Desuden vil vandet ikke have en ensartet temperatur, men der vil være temperaturforskelle forskellige steder i beholderen. Den varme beholder vil have større fordampning, og vandmængden vil derfor mindskes, så mindre skal køles. I den kolde beholder vil temperaturfordelingen forventeligt være anderledes og strømninger mindre og forskellige fra strømningerne i den varme beholder. Vand ved 4 ⁰C har den største densitet, derfor vil dette vand hurtigt lægge sig på bunden, hvis strømningerne ikke er for kraftige. Når overfladen derefter fryser isoleres vandet af isen. Man kan forvente, at i den varme beholder gør strømningerne at overfladen er væsentligt varmere i lang tid end bunden, så hele vandmængden køles hurtigere ned samlet.
Så det interessante er, hvordan temperaturfordelingen og strømningerne i beholderen er, når det første vand i en beholder vand, det afhænger også af beholderens form.
Samlet det varme vand skal nedkøles til 0 ⁰C akkurat som det kolde, før det begynder at fryse (ovenfra pga. 4 ⁰C vandet på bunden), om det sker, afhænger af detaljerede strømningsforhold, beholderform, temperaturfordeling i detaljer, bevægelse mm., og det er altså et meget komplekst fænomen. Jeg er ikke vidende om, at der er lavet detaljerede løsninger, eller større eksperimentelle arbejder om emnet. Der er heldigvis problemer endnu i verden, som ikke er endeligt løst, og som nogen kan kaste sig over engang. Spørgeren har valgt et par stykker af de problemer.
Med venlig hilsen
Malte Olsen