Katera voda hitreje zmrzne, vroča ali hladna, je odvisno od številnih dejavnikov, a samo vprašanje se zdi nekoliko čudno. Namiguje se, iz fizike pa je znano, da vroča voda potrebuje še čas, da se ohladi na temperaturo primerljive hladne vode, da se spremeni v led. S hladno vodo lahko to stopnjo preskočite in s tem pravočasno zmaga.
Toda odgovor na vprašanje, katera voda zmrzne hitreje - hladna ali vroča - na ulici v zmrzali, ve vsak prebivalec severnih zemljepisnih širin. Pravzaprav se znanstveno izkaže, da mora hladna voda v vsakem primeru hitreje zamrzniti.
Tako tudi učitelj fizike, na katerega se je leta 1963 obrnil šolar Erasto Mpemba s prošnjo, naj pojasni, zakaj hladna mešanica prihodnjega sladoleda zamrzne dlje kot enaka, a vroča.
To ni svetovna fizika, ampak nekakšna fizika Mpemba
Takrat se je učitelj temu le smejal, toda Deniss Osborn, profesor fizike, ki je nekoč hodil na isto šolo, kjer je študiral Erasto, je eksperimentalno potrdil obstoj takega učinka, čeprav je obstajal potem ni razlage za to. Leta 1969 je popularna znanstvena revija objavila skupni članek dveh moških, ki sta opisala ta poseben učinek.
Od takrat ima, mimogrede, vprašanje, katera voda hitreje zmrzne - vroča ali hladna, svoje ime - učinek ali paradoks, Mpemba.
Vprašanje se je pojavilo že zdavnaj
Seveda se je takšen pojav že zgodil in je bil omenjen v delih drugih znanstvenikov. To vprašanje ni zanimalo samo šolarja, ampak so nanj nekoč razmišljali Francis Bacon, Rene Descartes in celo Aristotel.
To so samo pristopi k reševanju tega paradoksa, ki so se začeli gledati šele ob koncu dvajsetega stoletja.
Pogoji za pojav paradoksa
Tako kot pri sladoledu med poskusom ne zmrzne le navadna voda. Določeni pogoji morajo biti prisotni, da se začnemo prepirati, katera voda zmrzne hitreje – hladna ali vroča. Kaj vpliva na ta proces?
Zdaj, v 21. stoletju, je bilo predstavljenih več možnosti, ki lahko razložijota paradoks. Katera voda zmrzne hitreje, vroča ali hladna, je lahko odvisno od dejstva, da ima vroča voda višjo stopnjo izhlapevanja kot hladna voda. Tako se njegova prostornina zmanjša, z zmanjšanjem prostornine pa postane čas zamrzovanja krajši, kot če vzamete podobno začetno količino hladne vode.
Zamrzovalnik je bil dolgo odmrznjen
Katera voda zmrzne hitreje in zakaj se zamrzne, lahko vpliva snežna obloga, ki je morda v zamrzovalniku hladilnika, uporabljenega za poskus. Če vzamete dve posodi, ki sta enaki po prostornini, vendar bo ena od njiju imela toplo vodo, druga pa hladno vodo, bo posoda s toplo vodo stopila sneg pod seboj in s tem izboljšala stik toplotne ravni s steno hladilnika. Posoda za hladno vodo tega ne zmore. Če v hladilnem predelu ni takšne obloge s snegom, mora hladna voda hitreje zmrzniti.
zgoraj - spodaj
Tudi pojav, pri katerem voda hitreje zmrzne - vroča ali hladna, je razložena na naslednji način. Po določenih zakonitostih začne hladna voda zmrzovati iz zgornjih plasti, ko vroča voda obratno – začne zmrzovati od spodaj navzgor. Izkazalo se je, da hladna voda, ki ima na vrhu hladno plast z ledom, ki je na nekaterih mestih že nastal, tako poslabša procese konvekcije in toplotnega sevanja, s čimer pojasni, katera voda zmrzne hitreje - hladna ali vroča. Fotografije od amaterjaposkusi so priloženi in to je jasno vidno tukaj.
Toplota se dvigne navzgor in se tam sreča z zelo ohlajeno plastjo. Za toplotno sevanje ni proste poti, zato postane proces hlajenja otežen. Topla voda nima takšnih ovir na svoji poti. Katera zmrzne hitreje – hladna ali vroča, od katere je odvisen verjeten izid, lahko odgovor razširite tako, da v vsaki vodi raztopljene določene snovi.
Nečistoče v sestavi vode kot dejavnik, ki vpliva na izid
Če ne goljufate in uporabljate vodo enake sestave, kjer so koncentracije določenih snovi enake, bi morala hladna voda hitreje zmrzniti. Toda če pride do situacije, ko so raztopljeni kemični elementi prisotni samo v vroči vodi, medtem ko jih hladna voda nima, ima vroča voda možnost, da zamrzne prej. To je razloženo z dejstvom, da raztopljene snovi v vodi ustvarjajo kristalizacijske centre, pri majhnem številu teh centrov pa je pretvorba vode v trdno stanje težka. Možno je celo prehlajenje vode, v smislu, da bo pri temperaturah pod ničlo v tekočem stanju.
Vendar vse te različice očitno niso v celoti ustrezale znanstvenikom in so še naprej delali na tem vprašanju. Leta 2013 je skupina raziskovalcev iz Singapurja rekla, da so rešili starodavno skrivnost.
Skupina kitajskih znanstvenikov trdi, da je skrivnost tega učinka v količini energije, shranjene med molekulami vode v njenih vezi, imenovanih vodikove vezi.
Namig kitajskih znanstvenikov
Sledijo naslednje informacije, za razumevanje katerih morate imeti nekaj znanja iz kemije, da ugotovite, katera voda hitreje zmrzne - vroča ali hladna. Kot veste, je molekula vode sestavljena iz dveh atomov H (vodika) in enega atoma O (kisika), ki sta skupaj s kovalentnimi vezmi.
Vendar atome vodika ene molekule privlačijo tudi sosednje molekule, njihova kisikova komponenta. Te vezi se imenujejo vodikove vezi.
Vredno je zapomniti, da hkrati molekule vode delujejo odbojno druga na drugo. Znanstveniki so ugotovili, da se pri segrevanju vode razdalja med njenimi molekulami poveča, kar olajšajo odbojne sile. Izkazalo se je, da lahko rečemo, da so vodikove vezi, ki zasedajo eno razdaljo med molekulami v hladnem stanju, raztegnjene in imajo večjo zalogo energije. Prav ta energijska rezerva se sprosti, ko se molekule vode začnejo približevati druga drugi, torej pride do hlajenja. Izkazalo se je, da se večja zaloga energije v topli vodi in njeno večje sproščanje pri ohlajanju na temperaturo pod ničlo zgodi hitreje kot v hladni vodi, ki ima tako zalogo.manj energije. Katera voda torej hitreje zmrzne – hladna ali vroča? Paradoks Mpemba bi se moral dogajati zunaj in v laboratoriju, vroča voda pa bi se morala hitreje spremeniti v led.
Ampak še vedno odprt
Obstaja le teoretična potrditev tega namiga - vse to je zapisano v čudovitih formulah in se zdi verjetno. Ko pa bodo eksperimentalni podatki, katera voda hitreje zmrzne – vroča ali hladna, predstavljeni v praktičnem smislu in bodo predstavljeni njihovi rezultati, bo mogoče obravnavati vprašanje paradoksa Mpemba za zaprto.
