Efekt Mpemby

Z Wikipedii

Efekt Mpemby jest paradoksalnym zjawiskiem zaobserwowanym po raz pierwszy w Tanzanii przez Erasto B. Mpembę w 1963 r. W pewnych określonych warunkach fizycznych gorąca woda zamarza szybciej niż chłodna.

Spis treści 1 Eksperyment 2 Historia odkrycia 3 Próby wyjaśnienia 4 Ciekawostki 5 Przypisy 6 Źródła

[edytuj] Eksperyment

Efekt można bardzo łatwo potwierdzić eksperymentalnie w domowych warunkach:

Do zamrażalnika lodówki należy włożyć dwa pojemniki – jeden z gorącą, drugi z zimną. Woda będzie się ochładzać aż do zamarznięcia. Wraz z temperaturą spada także energia wewnętrzna, czyli energia molekuł z których woda jest zbudowana. Kiedy temperatura spadnie do 0°C, woda zmieni swój stan skupienia z ciekłego w stały. Czynniki, które muszą pozostać niezmienne dla obu pojemników:

• temperatura w zamrażalniku
• ilość wody w pojemniku
• rozmiar, kształt i materiał pojemnika
• otoczenie gazowe wewnątrz komory zamrażalnika

Przy prawidłowo wykonanym doświadczeniu woda, która była gorąca, zamarznie szybciej.

[edytuj] Historia odkrycia

Efekt odkrył tanzański nastolatek, Erasto B. Mpemba:

Kiedy byłem w trzeciej klasie gimnazjum w Magambie, robiłem sobie często lody. Chłopcy w szkole przyrządzają je tak: gotują mleko, słodzą je, mieszają i wstawiają do zamrażalnika lodówki, ochłodziwszy je uprzednio do temperatury pokojowej. Pewnego razu (...), widząc, że przepadnie mi ostatnia tacka do lodu, jeśli będę czekał, aż moja porcja ostygnie, zdecydowałem się zaryzykować zepsucie lodówki i wstawić do niej gorące mleko.

Gdy po półgodzinie zajrzał do lodówki, jego lody były gotowe, a lody jego kolegów, którzy wstawili schłodzone mleko, były jeszcze półpłynne. Pytał swojego nauczyciela fizyki dlaczego gorące mleko zamarza szybciej niż chłodne. Odpowiedź brzmiała, że coś mu się najwyraźniej pomyliło. Na podobne pytanie zadane w liceum usłyszał odpowiedź, że to nie jest żadna uniwersalna fizyka, to "fizyka Mpemby".

"Fizyka Mpemby" spotkała się się z "fizyką światową", kiedy do liceum w Mkwawie zawitał doktor Denis Osborne, profesor z Uniwersytetu Dar es-Salaam z pogadanką dla uczniów liceum o związku fizyki z rozwojem kraju. Po wykładzie dociekliwy Mpemba wzbudził ogólną wesołość, kiedy zapytał profesora o dziwne doświadczenie: Gdy weźmie się dwie zlewki zawierające jednakowe ilości wody, jedną o temperaturze 35 stopni, drugą o temperaturze 100 stopni, to cieplejsza zamarznie w lodówce wcześniej. Dlaczego? Osborne nie uwierzył Mpembie, ale będąc lepszym pedagogiem niż fizyk z liceum, uznał, że nie wolno dyskredytować dociekliwości i pierwszych prób badawczych uczniów. Po powrocie na uniwersytet zlecił jednemu z laborantów przeprowadzenie doświadczenia. Laborant zameldował, że istotnie woda, która początkowo była gorąca, zamarzła wcześniej, i dodał w przypływie zupełnie nienaukowego entuzjazmu: „Ale będziemy powtarzać doświadczenie tak długo, aż otrzymamy prawidłowy wynik”.

W roku 1969 roku Denis Osborne i Erasto Mpemba napisali wspólną pracę o swoich obserwacjach. Opublikowana została w czasopiśmie „Physics Education”. Współczesna fizyka rozpoczęła zmagania z próbą wyjaśnienia paradoksalnego faktu, że gorąca woda może zamarznąć szybciej niż zimna.

[edytuj] Próby wyjaśnienia

Wytłumaczenie tego zjawiska nie jest jednoznaczne i teorie, które dotychczas powstały nie tłumaczą efektu Mpemby do końca.

1. Pierwszą próbę wyjaśnienia problemu podjął Pablo Debenedetti z Uniwersytetu w Princeton. Zauważył, że ciepła woda (czy ciepłe mleko) wstawiona do zamrażalnika, paruje intensywniej niż zimna. A skoro tak, to robi się jej mniej, i kiedy przychodzi do zamarzania, pozostała resztka upora się z zamarznięciem szybciej niż zimna woda, której nie ubywało z pojemnika. Ponadto proces parowania jest procesem endoenergetycznym. Debenedetti wykonał stosowne rachunki, ale tajemnica efektu pozostała, bowiem efekt polegał tylko na ubytku ciepłej wody, efekt Mpemby nie powinien się zdarzyć. Gdy zapobieżemy parowaniu przykrywając oba pojemniki szczelną pokrywką, efekt wystąpi mimo to.
2. Zespół polskich fizyków: Wojciechowski, Owczarek i Grzegorz Bednarz badał efekt Mpemby podczas chłodzenia zamkniętych naczyń. Doszli do wniosku, że podczas gotowania wody uwalniają się rozpuszczone w wodzie gazy. Pęcherzyki gazu uwięzione w lodzie tworzą izolację, podobnie jak powietrze w styropianie. Jeśli woda upstrzona jest pęcherzykami gazu, ciepłu trudniej uciekać, dlatego odgazowana woda zamarza szybciej. Niestety, Polacy nie wyjaśnili tajemnicy Mpemby do końca. Okazało się, że jeśli wykonać doświadczenie z wcześniej odgazowaną wodą, efekt Mpemby zazwyczaj znika, jednak... nie zawsze.
3. Trzecia próba wyjaśnienia oparła się na spostrzeżeniu, że dno ciepłego naczynia po wystawieniu na mróz pokrywa się cienką warstewką lodu, która łączy je szczelnie z chłodzącą je podstawą. Przez usprawnienie odpływu ciepła poprawia się również efektywność chłodzenia naczynia. Teoria jest prawidłowa, ale doświadczenie wykazało, że efekt Mpemby zachodzi również, gdy oba pojemniki z cieczami ustawi się na izolujących podkładkach ze styropianu.
4. Kolejna teoria koncentrowała się na roli prądów konwekcyjnych występujących w cieczach. W przypadku dużej różnicy temperatur między cieczą a jej powierzchnią ruchy konwekcyjne w cieczy są szybsze. Wiadomo jednak, że prądy konwekcyjne zależą od kształtu naczynia a tego nie udało się powiązać z efektem Mpemby.
5. Jonathan Katz z Uniwersytetu Waszyngtona w Saint Louis zauważył, że podczas podgrzewania wody wytrącają się z niej sole: dwuwęglany wapnia i magnezu. Zimna woda, która nie zdążyła wytrącić części związków mineralnych, zawiera rozpuszczone sole obniżają temperaturę zamarzania^[1]. Wyjaśnienie to czeka na potwierdzenie doświadczalne.
6. Faktem jest, że woda nie składa się z pojedynczych cząsteczek, lecz z ich agregatów (asocjacja cząsteczek wody na skutek tworzenia się wiązań wodorowych). Jest możliwe że w wodzie ogrzanej agregaty te rozpadają się, a przy ochłodzeniu gorącej wody agregaty te tworzą się dopiero po pewnym czasie. Zwiększałoby to ruchliwość cząsteczek takiej wody i w efekcie przyspieszałoby wymianę ciepła z otoczeniem.^{[potrzebne źródło]}
7. Wyjaśnieniem może być też zjawisko przechładzania cieczy (supercooling).^{[potrzebne źródło]}

[edytuj] Ciekawostki

• Efekt Mpemby został naukowo opisany w 1969 r., ale był znany już dużo wcześniej, krążąc po świecie w licznych przesądach:
  • Nie myj samochodu ciepłą wodą w czasie mrozu, bo popęka karoseria.
  • Lodowisko powstanie najszybciej, jeśli będziemy je polewać ciepłą wodą z kranu.
• Wskutek występowania tego efektu rury z ciepłą wodą pękają na mrozie częściej niż biegnące tuż obok rury z zimną wodą.
• Kartezjusz pierwszy zauważył, że woda trzymana na ogniu przez czas długi zamarza szybciej niż inna. Jego doświadczenia potwierdzał Francis Bacon, pisząc, że wodę nieco gorętszą łatwiej zamrozić niż tę całkiem zimną. Współczesna fizyka zarówno obserwacje Bacona, jak i Kartezjusza odrzucały, jako stojące w zbyt jaskrawej sprzeczności ze zdrowym rozsądkiem.

Przypisy

[edytuj] Źródła

• Ron Kurtus: The Mpemba Effect: When Hot Water Freezes before Cold. [dostęp 30 października 2002 r.].
• Szymczak, Irena. Dlaczego pękają rury?. Przekrój. 08/2008. ISSN 0033-2488.