Czy gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? Wydaje się oczywiste, że odpowiedź powinna brzmieć nie, ponieważ wszystkie rzeczy są takie same, gorąca woda potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie niż zimna, więc nie mogłaby zamarzać szybciej.
Ale obserwacje prowadzone przez tysiące lat, jak również niezliczone współczesne eksperymenty, wykazały, że jest wręcz przeciwnie – w starannie kontrolowanych warunkach, gorąca woda czasami wydaje się zamarzać szybciej niż zimna.
Jak to możliwe? Cóż, jest to coś, co wciąż wprawia naukowców w zakłopotanie – w rzeczywistości wciąż walczą oni o udowodnienie, że efekt ten w ogóle istnieje, jak wyjaśnia pierwszy odcinek nowego kanału naukowego Dereka Mullera, Sciencium.
Okazuje się, że zamrażanie wody jest o wiele bardziej skomplikowane, niż mogłoby się wydawać.
Jak wyjaśnia powyższy film, zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej znane jest jako efekt Mpemby, nazwany tak na cześć Erasto Mpemby, tanzańskiego studenta, który w 1963 roku robił lody w ramach projektu szkolnego.
Studenci mieli zagotować mieszankę śmietany i cukru, pozwolić jej ostygnąć, a następnie umieścić ją w zamrażarce.
Martwiąc się o uzyskanie miejsca w zamrażarce, Mpemba zamiast tego umieścił swoją mieszankę w zamrażarce, gdy była jeszcze gorąca. Ale po 1,5 godziny jego mieszanina zamarzła, podczas gdy mieszaniny jego kolegów nie zamarzły.
Zaintrygowany tym zjawiskiem, podjął współpracę z profesorem fizyki Denisem Osborne’em i razem udało im się powtórzyć wyniki badań i opublikować w 1969 r. pracę pokazującą, że ciepła woda zamarza szybciej niż zimna.
Była to pierwsza recenzowana praca na temat tego efektu, ale jak zauważa Derek w powyższym filmie, obserwacje pochodzą aż od Arystotelesa z IV wieku p.n.e., który zaobserwował, że gorąca woda stygnie szybciej niż zimna podczas jego eksperymentów.
Sir Frances Bacon i Kartezjusz również zauważyli to zjawisko w swoich badaniach.
Ale jaka fizyka kryje się za tym dziwnym zjawiskiem?
Jak wyjaśnia powyższy film, istnieje pięć proponowanych mechanizmów tego, co się tutaj dzieje:
- Topienie się szronu: Szron jest izolatorem, więc zimna woda może utrzymywać ciepło lepiej niż ciepła zlewka, w której szron topi się po bokach.
- Rozpuszczone gazy: W zimnej wodzie jest więcej rozpuszczonych gazów niż w ciepłej wodzie, a naukowcy przewidzieli, że może to odgrywać rolę w szybkości chłodzenia, chociaż nie jest jasne, jak.
- Superchłodzenie: Wszyscy wiemy, że woda zamarza w temperaturze zero stopni Celsjusza, ale czasami robi się o wiele zimniej, zanim zamarznie – zjawisko znane jako superchłodzenie. Dzieje się tak, ponieważ lód potrzebuje miejsca nukleacji, takiego jak pęcherzyk powietrza lub zanieczyszczenie w wodzie, aby się utworzyć. Więc może ciepła woda doświadcza mniejszego przechłodzenia niż zimna woda.
- Parowanie: Zlewka z ciepłą wodą traci więcej cząsteczek wody przez parowanie, więc jest jej mniej do zamrożenia.
- Konwekcja: Wreszcie, jest pomysł, że ciepła woda może chłodzić szybciej z powodu zwiększonych prądów konwekcyjnych. Prądy te występują, ponieważ woda chłodzi się głównie od powierzchni i boków zlewki, powodując, że zimna woda opada, a ciepła unosi się i zajmuje jej miejsce. Prądy te są większe w ciepłych zlewkach i mogą wpływać na szybkość chłodzenia.
W tych wszystkich pomysłach jest zasługa, ale problem polega na tym, że eksperymenty przez lata kontrolowały wszystkie te efekty, a wyniki były frustrująco niespójne.
Niektóre laboratoria nie wykazały, że efekt Mpemby w ogóle występuje, podczas gdy inne wykazały, że występuje nawet w zmiennych warunkach.
Jaka jest więc odpowiedź? Cóż, nowe badania opublikowane w tym roku sugerują, że być może efekt Mpemby jest powodowany przez coś zupełnie innego – i nie ma to nic wspólnego z tym, jak szybko gorąca woda stygnie.
Pozwolimy Derekowi wyjaśnić to w powyższym filmie i nie zapomnijcie zasubskrybować jego nowego kanału.
To szalone, że po tysiącleciach obserwacji wciąż mamy tak wiele do nauczenia się o czymś tak podstawowym jak zamarzanie wody. Nauka jest najlepsza.