Koja se voda brže smrzava, topla ili hladna, utječu mnogi čimbenici, ali samo se pitanje čini malo čudnim. Podrazumijeva se, a poznato je iz fizike, da toploj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu usporedive hladne vode kako bi se pretvorila u led. S hladnom vodom se ova faza može preskočiti i, shodno tome, pobjeđuje na vrijeme.
Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - na ulici u mrazu, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, znanstveno se ispostavilo da se u svakom slučaju hladna voda jednostavno mora brže smrzavati.
I učitelj fizike kojem se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba s molbom da objasni zašto se hladna mješavina budućeg sladoleda smrzava duže od iste, ali vruće.
Ovo nije svjetska fizika, već neka vrsta Mpemba fizike
U to vrijeme učiteljica se tome samo nasmijala, ali Deniss Osborn, profesor fizike, koji je svojedobno pohađao istu školu u kojoj je studirao Erasto, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog efekta, iako je postojao onda nema objašnjenja za ovo. Godine 1969. popularni znanstveni časopis objavio je zajednički članak dvojice muškaraca koji su opisali ovaj neobičan učinak.
Od tada, usput rečeno, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, ima svoje ime - efekt, odnosno paradoks, Mpemba.
Pitanje se postavilo davno
Naravno, takva se pojava događala i prije, a spominjala se iu radovima drugih znanstvenika. Ovo pitanje nije zanimalo samo školarca, već su o njemu svojedobno razmišljali Francis Bacon, Rene Descartes, pa čak i Aristotel.
To su samo pristupi rješavanju ovog paradoksa počeli se gledati tek krajem dvadesetog stoljeća.
Uvjeti za pojavu paradoksa
Kao i kod sladoleda, nije samo obična voda ta koja se smrzava tijekom eksperimenta. Moraju postojati određeni uvjeti da bi se počeli prepirati koja se voda brže smrzava – hladna ili vruća. Što utječe na ovaj proces?
Sada, u 21. stoljeću, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasnitiovaj paradoks. Koja se voda brže smrzava, topla ili hladna, može ovisiti o činjenici da topla voda ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Dakle, njegov volumen se smanjuje, a smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego ako uzmete sličan početni volumen hladne vode.
Zamrzivač je dugo odmrznut
Koja se voda brže smrzava i zašto se smrzava, može utjecati snježna obloga koja bi mogla biti u zamrzivaču hladnjaka korištenog za eksperiment. Ako uzmete dvije posude identične zapremine, ali će u jednom biti topla voda, a u drugom hladna voda, posuda s toplom vodom će otopiti snijeg ispod sebe, čime će se poboljšati kontakt toplinske razine sa stijenkom hladnjaka. Posuda za hladnu vodu to ne može. Ako u odjeljku hladnjaka nema takve obloge sa snijegom, hladna voda bi se trebala brže smrzavati.
vrh - dno
Također, fenomen da se voda brže smrzava - topla ili hladna, objašnjava se na sljedeći način. Slijedeći određene zakone, hladna voda se počinje smrzavati iz gornjih slojeva, kada topla voda čini obrnuto – počinje se smrzavati odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, koja ima na vrhu hladan sloj na kojem se na nekim mjestima već formirao led, na taj način otežava procese konvekcije i toplinskog zračenja, objašnjavajući koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. Fotografije od amateraeksperimenti su priloženi, a to je ovdje jasno vidljivo.
Toplina izlazi, težeći prema gore, i tamo se susreće s vrlo ohlađenim slojem. Nema slobodnog puta za toplinsko zračenje, pa proces hlađenja postaje otežan. Topla voda nema apsolutno nikakvih prepreka na svom putu. Što se brže smrzava - hladno ili vruće, o čemu ovisi vjerojatni ishod, odgovor možete proširiti rekavši da svaka voda ima otopljene određene tvari.
Nečistoće u sastavu vode kao faktor koji utječe na ishod
Ako ne varate i ne koristite vodu istog sastava, gdje su koncentracije pojedinih tvari identične, tada bi se hladna voda trebala brže smrzavati. Ali ako se dogodi situacija kada su otopljeni kemijski elementi prisutni samo u vrućoj vodi, dok ih hladna voda ne posjeduje, tada topla voda ima priliku zamrznuti ranije. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju kristalizacijske centre, a s malim brojem tih centara otežana je transformacija vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i prehlađenje vode, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tekućem stanju.
Ali sve ove verzije, očito, nisu u potpunosti odgovarale znanstvenicima i nastavili su raditi na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača u Singapuru rekao je da su riješili prastaru misteriju.
Grupa kineskih znanstvenika tvrdi da tajna ovog učinka leži u količini energije pohranjene između molekula vode u njezinim vezama, nazvanim vodikove veze.
Naznaka kineskih znanstvenika
Slijede slijedeće informacije za čije razumijevanje trebate imati neko znanje iz kemije kako biste shvatili koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Kao što znate, molekula vode sastoji se od dva atoma H (vodika) i jednog O (kisika) atoma koji se drže zajedno kovalentnim vezama.
Ali atome vodika jedne molekule također privlače susjedne molekule, njihova komponenta kisika. Upravo se te veze nazivaju vodikovim vezama.
Vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekule vode djeluju odbojno jedna na drugu. Znanstvenici su primijetili da kada se voda zagrije, udaljenost između njenih molekula se povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispada da se za vodikove veze, koje zauzimaju jednu udaljenost između molekula u hladnom stanju, može reći da su rastegnute i da imaju veću zalihu energije. Upravo se ta rezerva energije oslobađa kada se molekule vode počnu približavati jedna drugoj, odnosno dolazi do hlađenja. Pokazalo se da se veća zaliha energije u toploj vodi, i njezino veće oslobađanje kada se ohladi na temperaturu ispod nule, događa brže nego u hladnoj vodi, koja ima takvu zalihu.manje energije. Dakle, koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća? Paradoks Mpemba bi se trebao događati vani i u laboratoriju, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.
Ali još uvijek otvoren
Postoji samo teorijska potvrda ovog traga - sve je to napisano prekrasnim formulama i čini se vjerojatnim. Ali kada se eksperimentalni podaci, koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, budu u praksi iznijeli i njihovi rezultati prezentirali, tada će se pitanje o Mpemba paradoksa moći smatrati zatvorenim.
