Svar:
Det är som du säger att nästan alltid så sjunker fryspunkten när ett salt löses i vatten samtidigt som kokpunkten höjes. Den enklaste förklaringen vi kan ge är följande: Antag vi har en blandning av vatten och is i jämvikt. Temperaturen är alltså 0 grader. Vi tillsätter nu salt i vattnet. Det blir nu en skillnad i koncentrationen av salt i vattnet och i isfasen. En allmän strävan hos naturen är att utjämna koncentrationsskillnader. För att åstadkomma detta smälts is. Då sjunker temperaturen tills man når saltblandningens fryspunkt som alltså är lägre än 0 grader. Vi kan göra motsvarande resonemang då vi har en vatten och ånga i jämvikt vid 100 grader. Om vi tillsätter salt till vattnet så börjar ångan att kondensera och då frigöres värme vilket medför att temperaturen stiger. Vi får alltså en kokpunktshöjning.
/Gunnar O 1997-03-20

Svar:
Mycket intressant observation! Jag har sett i fenomenet beskrivet i litteraturen, men aldrig observerat det själv. Vattnet du observerade
var underkylt, dvs det hade en temperatur under 0 grader, men det
hade inte fryst. När vattnet fryser till is, så sker en mycket omfattande
förändring i stukturen från en oordnad vätska till en ordnad kristall.
Det fordras lite rörelse för att sätta igång denna process, och det var
den rörelsen du orsakade med handen. När processen väl är påbörjad,
så går den - om vattnet är tillräckligt kallt - mycket fort.
/Peter Ekström 2000-03-23

Svar:
Det är klart att den kallare i de flesta fall fryser först. Effekten är emellertid relativt väletablerad men utan någon enskild enkel förklaring, se Mpemba_effect.

Nedanstående länkar diskuterar några möjliga förklaringar till effekten.

Eftersom det avsvalnande varma vattnet vid någon tidpunkt måste vara av samma temperatur som det kalla vattnet så är det svårt att se att det från början varma vattnet skulle frysa snabbare: två vattenmassor med samma temperatur bör rimligen uppföra sig likadant. Det måste i så fall vara någon skillnad på vattenmassorna, t.ex. gasinnehåll.

En av förklaringarna går ut på att det varma vattnet fryser delvis snabbare (mindre underkylning, se fråga [16785]) och därför uppfattas som fruset när det i själva verket bara är delvis kylt. Problemet kvarstår dock: vad är det för skillnad mellan det kalla vattnet från början och det varma vattnet när temperaturen passerar begynnelsetemperaturen av det kalla vattnet.

Men det hjälper inte att spekulera ... man borde göra ett försök att påvisa effekten! Jag gjorde ett enkelt försök med istärningsbehållarna. Det var ingen märkbar skillnad på behållaren med kallt vatten och behållaren med hett vatten. Om något så frös den varma vattnet långsammare!

Se även frågorna [18157], [3551] och [16785].

Påpekas bör dock att effekten inte är absolut bevisad, se Mpemba_effectRecent_views.

Ett antal möjliga förklaringar listas i Mpemba_effectSuggested_explanations. Jag tror, om effekten finns, att förklaringen är att det från början kalla vattnet har en större tendens till underkylning.

Försök med temperaturmätning

I länk 2 beskrivs ett experiment där man mätt temperaturen som funktion av tiden, se nedanstående figur. Experimentet är emellertid mycket bristfälligt dokumenterat (t.ex. Var placerades temperatursensorerna? Vad var omgivningens temeratur?).

I början ser plotten rimlig ut. Den röda kurvan (varmare vatten) är brantare än den blå. Detta är rimligt eftersom värmetransporten till omgivningen är proportionell mot temperaturskillnaden.

Från 10 grader är kurvorna i stort sett parallella, vilket är rimligt. Kurvorna planar emellertid ut vid +3 grader och inte som man väntar sig vid vattnets fryspunkt 0 grader. Detta är antingen ett kalibreringsfel eller så sitter temperatursensorerna på fel plats.

Om man verkligen kan tro på mätningen så är det uppenbart att förklaringen är att tiden för frysning är kortare för det från början varma vattnet. På något sätt måste värmetransporten för det varma vattnet vara effektivare än för det kalla vattnet. Vi har fullständig isbildning (kurvan böjer nedåt och isen kyls till under 0 grader) vid 2.5 timmar för det varma vattnet och 4.2 timmar för det kalla vattnet.

Detta är ju en mycket tydlig effekt om man kan lita på mätningen. Varför 0-gradigt vatten som varit varmt fryser snabbare ges emellertid ingen förklaring för.

Se emellertid länkarna

https://www.sciencenews.org/article/debate-heats-over-claims-hot-water-sometimes-freezes-faster-cold

https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/why-hot-water-freezes-faster-than-cold-physicists-solve-the-mpemba-effect-d8a2f611e853

där förklaringen föreslås vara att fler vätebindningar bildas vid den högre temperaturen. Hur detta påverkar kylhastigheten är emellertid inte uppenbart.

/KS/lpe 2001-03-21

Svar:
I vatten finns nästan alltid lösta gaser (luft). I vattenledningen står
vattnet under ganska högt tryck. Vattnet kan då lösa mera gaser än vid
vanligt lufttryck. När man sedan tappat upp vattnet i ett glas, kommer
överskottsgasen så småningom att bilda luftbubblor.

En ytterligare effekt är att vattnet i kranen är ganska kallt sÃ¥ det blir varmare när det fÃ¥r stÃ¥ ett tag. Lösligheten av gaser (syre, kväve) i vatten minskar när temperaturen ökar, se nedanstÃ¥ende figur för N₂ frÃ¥n länk 1. En del gas lämnar dÃ¥ vattnet.

Anledningen till att lösligheten minskar med ökande temperatur är att gasmolekylerna rör sig snabbare (temperatur är ju ett mått på molekylernas medelhastighet) och har därför lättare att lämna vattnet. En illustration av denna effekt är att koldioxidhalten i atmosfären är högre mellan istiderna än under, eftersom den lägre vattentemperaturen under en istid tillåter att mer koldioxid löses i havet, se fråga [830].

När man kokar upp vatten, bildas småbubblor i botten innan vattnet kokar riktigt. Det är de lösta gaserna som ger sig iväg. Kokande vatten är helt fritt från lösta gaser.

/KS/lpe 2002-02-28

Svar:
Oskar! Detta är ett mycket komplicerat ämne och det är mycket vi inte förstår. Jag är definitivt ingen expert på ämnet. Låt oss börja med vad en kristall är: Nationalencyklopedin (NE) säger:
kristall är fast fas som byggs upp genom periodisk upprepning i tre dimensioner av ett arrangemang eller motiv av atomer. NE skriver emellertid inte mycket om iskristaller. Iskristaller är ofta fraktaler, fraktal är en starkt sönderbruten bild eller mängd vars beståndsdelar ofta är likformiga med helheten.

Fundamentalt är en iskristall en fast sammansättning av vattenmolekyler (H₂O). Kristallen hÃ¥lls ihop av s.k. vätebryggor som är tvÃ¥ syreatomer som binds med en mellanliggande väteatom: O-H-O, se figuren i frÃ¥ga [17391]. Jag misstänker att en anledning till de mÃ¥nga olika formerna av iskristaller är den udda vinkeln 104.45^o mellan H-O-H i den fria vattenmolekylen.

Water Structure and Science innehåller det mesta man behöver veta om vattenmolekylen och lite till. Bland annat finns det beskrivning på flera olika varianter av is.

Man kan tycka att eftersom vattenmolekyler bildar hexagonala (sexkantiga) kristaller så borde alla snöflingor bestå av en hexagonal kristall. Det fungerar emellertid inte så. En snöflinga är flera millimeter stor, dvs mycket stor i förhållande till vattenmolekylernas storlek. Flingan bildas genom att fria vattenmolekyler (vattenånga) fastnar på ett litet kristallämne eller någon annan liten partikel (aerosol). Denna process är slumpmässig, och vad som bildas är inte en stor kristall utan många små kristaller som slumpmässigt växer i olika riktningar. I själva verket är de flesta snöflingor ganska oregelbundna. De vackra symmetriska är rätt sällsynta men det är oftast dessa man väljer ut för illustrationer. Alla symmetriska flingor uppvisar emellertid på mågot sätt den hexagonala grundsymmetrin.

Vad gäller iskristaller har jag hittat en mycket bra och innehållsrik sajt: SnowCrystals.com, your online guide to snowflakes, snow crystals, and other ice phenomena.
Läs först Snowflake Physics, A Snowflake Primer och Snowflake Physics, Snowflake Branching. Se även länk 1.

Bilderna nedan på iskristaller är från Wilson Bentley, The Snowflake Man (bilderna i public domain).

/Peter E 2003-12-14

Svar:
Kompressibiliteten för vatten är mycket låg, dvs det krävs höga tryck för att komprimera vatten. Water Structure and Science är en fantastisk källa för information om vatten. Där (länk 1) ges kompressibiliteten som

(dV/V)/p = 0.46 GPa^-1

I länk 2 ges tabellen

temp oC 0 atm 500 a 1000 a 2000 a 3000 a 0 1.0000 0.9769 0.9566 0.9223 0.8954 20 1.0016 0.9804 0.9619 0.9312 0.9065 50 1.0128 0.9915 0.9732 0.9428 0.9193

Låt oss se hur väl dessa värden stämmer överens: för 20 grader och 1000 atmosfärer är kompessibiliteten

(1-0.9619)/1000 = 0.038/1000 atm^-1 = 0.03810^-310^-5 Pa^-1 = 0.38 GPa^-1

vilket stämmer hyggligt med ovanstående värde.

Se även Water, Water_(molecule) och Water_(data_page) för mer om vatten.
/Peter E 2005-12-30

Svar:
Vatten har många ovanliga egenskaper (se t.ex. den mycket trevliga (men omfattande) sajten Water Structure and Science). Sajten A gentle introduction to water and its structure är lite mer lättillgänglig. De flesta av egenskaperna kommer sig av att vattenmolekylen är en dipol och därför bildar vätebryggor (se nedan).

Att fruset vatten har lägre densitet än flytande kan förklaras med att vattnet genomgår en strukturförändring när det fryser, se länk 1 och Water_(molecule)Density_of_water_and_ice.

Intuitivt är det inte svårt att föreställa sig att vattenmolekylerna i flytande form kan packas mer effektivt än i fast form. I fast form är ju strukturen kristallin och molekylerna radas upp som H-O.-H-O.-H... (O.-H-O kallas för vätebrygga). Denna upplinjering av atomerna är lite slöseri men plats jämfört med om man som i vätskeformen kan packa molekylerna fritt, se nedanstående bild från länk 1 där man kan se att det finns outnyttjade luckor i den högra bilden som är is.

Den stora skillnaden i densitet mellan vatten och is (c:a 10%) är nog unik, men Wikipedia-länken ovan listar några fler ämnen vars densitet minskar när de stelnar (t.ex. vismut och kisel).

Egenskapen att is flyter är mycket viktig för livets utveckling och överlevnad. Om is hade haft högre densitet än vatten skulle ju sjöar och hav bottenfrysa i stället för att skyddas från att frysa av ett islager. Vattenlevande djur hade då haft svårigheter att överleva.

Vatten har som sagt många unika egenskaper som listas under länk 2. De mest påtagliga är hög smältpunkt, hög kokpunkt och mycket hög ångbildningsvärme. De flesta av dessa anomala egenskaper beror på att vattenmolekylen är en dipol, se fråga [15508] nedan. Se även fråga [17391].

/Peter E 2007-10-02

Svar:
Det finns i pricip två typer av snökanoner. En använder sig av vatten under högt tryck och en kraftig fläkt. Den andra typen har både vatten och luft under högt tryck. Principen är att munstycket utformas så att det bildas små droppar. Dropparna är såpass små att de håller sig svävande ett bra tag så att de hinner växa och frysa.

Konstgjord snö är skild från naturlig snö i det att den består av små iskristaller och bildar inte flingor som naturlig snö. Anledningen är helt enkelt att tiden för att bilda snö är mycket längre i naturen. Annars bildas snön på samma sätt: vattenmolekyler samlas på en kondensationskärna och bildar en droppe. Droppen fryser och fortsätter under sin färd genom luften att fånga in vattenmolekyler.

Det går faktiskt att göra konstgjord snö även om temperaturen ligger lite över 0^oC, speciellt om luften är torr. Det finns två effekter som kan åstadkomma den avkylning som krävs.

1 Om man använder tryckluft så kommer luften att avkylas när den får expandera. Detta gäller allmänt: en gas som expanderar avkyls, en gas som komprimeras (trycks ihop) värms upp (se gaslagen, allmänna). Det senare har du säkert märkt när du pumpat ett cykeldäck - cykelpumpen blir varm efter en stund.

2 Vatten har mycket hög s.k. ångbildningsvärme, dvs det fordras mycket energi för att förvandla vatten till vattenånga. Denna energi tas från vattnet som alltså blir kallare. Om luftfuktigheten i omgivningen är låg, kommer vi att få mycket avdunstning från vattendropparna, och därmed mycket avkylning.

Snökanonens funktion, speciellt vid temperaturer över 0^oC, illustrerar alltså två fysikaliska effekter: att expanderande luft avkyls och att en vattendroppe i torr omgivning avdunstar och kyls därmed ner av ångbildningsvärmet.

Se vidare Snow_cannon och länkarna nedan. Länk 1 är en mycket detaljerad och ändå lättillgänglig genomgång av många aspekter på ämnet. Länk 2 innehåller en video som visar hur en snökanon fungerar.
/Peter E 2008-01-25

Svar:
Thomas! Det finns en formel (länk 1, Hyperphysics) som är en approximation, men den fungerar säkert inte för stora värden på salthalten.

Att förstå varför smältpunkten sjunker med ökande salthalt är emellertid inte så svårt, se länk 2 (som även innehåller en mycket illustrativ animering):



Om man har rent vatten vid 0^oC i jämvikt med is av samma temperatur, så kommer lika många vattenmolekyler att fastna på isbiten som lossnar från isbiten. Om man häller i ett salt (det behöver inte vara joner, det går bra även med t.ex. socker) så kommer det att bli en lägre koncentration av vattenmolekyler i den flytande fasen. Detta förskjuter jämvikten så att fler vattenmolekyler lossnar och går i lösning. Detta kostar energi (smältvärmet), så temperaturen sänks. När temperaturen sjunkit lite inställer sig ett nytt jämviktsläge. Vi har alltså fått en lösning som har lägre smältpunkt (fryspunkt) än rent vatten.

Animationen ovan kräver att Macromedia flash plugin är installerat. Om animationen ändå inte startar - försök att ladda om webbsidan.

Förslag till uppgifter med animationen:

1. Vid 0^oC och utan salt är det jämvikt mellan is och vatten.
   
2. Klicka på 'add solute' för att tillsätta salt. Isen smälter och temperaturen sjunker (även om detta inte visas).
   
3. Ändra temperaturen till -5^oC. En del is kommer tillbaka.
   
4. Ändra temperaturen till -20. Allt fryser.
   
5. Klicka på 'remove solute'. Även vattnet som ersätter saltet fryser.
   

Observera att animationen är kvalitativ och schematisk. Övertolka inte temperaturer och koncentrationer.

Det finns gränser hur lång ner man kan komma i temperatur, men -18^oC bör vara nära den lägsta möjliga (se fråga [12407] om fahrenhetskalan).

Se vidare Freezing-point_depression och den utmärkta (men inte helt lättbegipliga) sajten Water Structure and Science.
/Peter E 2010-01-11

Svar:
Ellen! För att ge kraften i Newton mÃ¥ste man definiera pÃ¥ vilken yta kraften verkar. Vi börjar med att se vilka tryck i amtmosfärer, där 1 atm = 1.013 10⁵ Pa (N/m²), som krävs för en fasövergÃ¥ng.

Vi behöver även ett så kallat fasdiagram som är en plot med temperatur på x-axeln och tryck på y-axeln där man markerar ämnets aggregationstillstånd (gas, vätska eller fast form) i diagrammet. I fråga [12715] finns ett fasdiagram för vatten. För att vi skall kunna se detaljerna bättre finns en variant nedan där vi zoomat in det intressanta området. Diagrammet är från Water Structure and Science. Det blå området är is (av flera olika typer) och det grönaktiga vatten.

Låt oss som ett exempel utgå från is med temperaturen -10^oC och atmosfärstryck. Om vi ökar trycket långsamt och håller temperaturen konstant, så kommer isen att smälta vid trycket 113 Mpa (c:a 1100 atmosfärer) och sedan återgå till is vid 443 MPa (c:a 4400 atmosfärer).

LÃ¥t oss anta att vÃ¥rt prov har en yta pÃ¥ 1 cm² = 0.0001 m². Trycket 113 MPa [MN/m²] motsvarar dÃ¥ kraften 0.000111310⁶ = 11300 N. Detta är en kraft pÃ¥ 11300/g = ungefär 1000 kg. Vi behöver alltsÃ¥ Ã¥stadkomma en kraft motsvarande ett ton för att smälta isen.

Om isens temperatur är högre erfordras naturligvis mycket mindre kraft, för temperaturen -1^oC fordras en kraft motsvarande 100 kg.

Den klassiska förklaringen till varför is är halkigt är alltså inte korrekt: trycket från skridskoskenan är knappast tillräckligt för att smälta lite is och ge ett halkigt ytskikt av vattenmolekyler. Se länk 1 och 2 för alternativa förklaringar.

Observera att isen har olika struktur i olika områden. Stukturen i Ih är den normala som tar c:a 10% mer plats än vatten. I området V har isen en annan struktur och betydligt högre densitet. Observera att axeln med densitet till höger avser flytande vatten.

/Peter E 2010-12-11