Fenomen smrzavanja tople vode bržom brzinom od hladne vode poznat je u znanosti kao Mpemba efekt. Veliki umovi poput Aristotela, Francisa Bacona i Renea Descartesa razmišljali su o ovom paradoksalnom fenomenu, no tisućama godina još nitko nije uspio ponuditi razumno objašnjenje za ovaj fenomen.
Tek je 1963. školarac iz Republike Tanganjike, Erasto Mpemba, primijetio ovaj učinak na primjeru sladoleda, ali mu nitko od odraslih nije dao objašnjenje. Ipak, fizičari i kemičari ozbiljno su razmišljali o tako jednostavnom, ali tako neshvatljivom fenomenu.
Od tada se iznose različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada je ostane manje, voda se brže smrzava. Ova verzija je zbog svoje jednostavnosti postala najpopularnija, ali nije u potpunosti zadovoljila znanstvenike.
Sada tim istraživača iz Tehnološko sveučilište Tehnološko sveučilište Nanyang u Singapuru, pod vodstvom kemičara Xi Zhanga, izjavilo je da su riješili prastaru misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne. Kako su otkrili kineski stručnjaci, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.
Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koje zajedno drže kovalentne veze, što na razini čestica izgleda kao izmjena elektrona. Druga poznata činjenica je da se atomi vodika privlače atomima kisika iz susjednih molekula – stvaraju se vodikove veze.
U isto vrijeme, molekule vode općenito se međusobno odbijaju. Znanstvenici iz Singapura primijetili su: što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tekućine zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodikove veze su rastegnute i stoga pohranjuju više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda hladi – molekule se približavaju jedna drugoj. A oslobađanje energije, kao što je poznato, znači hlađenje.
Kako pišu kemičari u svom članku, koji se može pronaći na web stranici preprinta arXiv.org, u vrućoj vodi vodikove veze su jače nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da je više energije pohranjeno u vodikovim vezama vruće vode, što znači da se više oslobađa kada se ohladi na temperature ispod nule. Zbog toga dolazi do bržeg stvrdnjavanja.
Do danas su znanstvenici ovu misteriju riješili samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze svoje verzije, pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može se smatrati zatvorenim.
Britansko Kraljevsko kemijsko društvo nudi nagradu od 1000 funti svakome tko zna objasniti znanstvena točka razumijevanje zašto se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.
“Moderna znanost još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekt u svakodnevnom radu, ali nitko zapravo ne zna zašto djeluje. Ovaj problem poznat je tisućljećima, s filozofima poput Aristotela i Descartesa koji su razmišljali o njemu,” rekao je profesor David Phillips, predsjednik Britanskog kraljevskog kemijskog društva, citirano u priopćenju Društva.
Kako je kuhar iz Afrike pobijedio britanskog profesora fizike
Ovo nije prvotravanjska šala, već surova fizička stvarnost. Moderna znanost, koja s lakoćom operira s galaksijama i crnim rupama i gradi divovske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda “radi”. U školskom udžbeniku jasno stoji da je za hlađenje toplijeg tijela potrebno više vremena nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu ovaj zakon nije uvijek promatrano. Aristotel je skrenuo pozornost na ovaj paradoks u 4. stoljeću pr. e. Evo što je stari Grk napisao u svojoj knjizi Meteorologica I: “Činjenica da je voda prethodno zagrijana uzrokuje njeno smrzavanje. Stoga mnogi ljudi, kada žele brže ohladiti vruću vodu, prvo je stave na sunce...” U srednjem vijeku Francis Bacon i Rene Descartes pokušali su objasniti ovaj fenomen. Nažalost, ni veliki filozofi ni brojni znanstvenici koji su razvili klasičnu termofiziku nisu uspjeli u tome, pa je tako neugodna činjenica dugo bila "zaboravljena".
I tek su se 1968. “sjetili” zahvaljujući školarcu Erastu Mpembeu iz Tanzanije, dalekom od svake znanosti. Tijekom studija u kulinarskoj školi 1963. godine, 13-godišnji Mpembe dobio je zadatak napraviti sladoled. Prema tehnologiji, bilo je potrebno prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. U strahu da neće izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema svim pravilima.
Kad je Mpemba svoje otkriće podijelio sa svojim profesorom fizike, ovaj mu se smijao pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već kao student na sveučilištu u Dar es Salaamu, prisustvovao je predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osbornea. Nakon predavanja, postavio je pitanje znanstveniku: “Ako uzmete dvije identične posude s jednakom količinom vode, jednu na 35 °C (95 °F), a drugu na 100 °C (212 °F), i stavite ih u zamrzivaču, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrznuti. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz Bogom zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je učenika. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je znanstvenika na okladu. Njihov spor završio je eksperimentalnim testom koji je potvrdio da je Mpemba bio u pravu i da je Osborne poražen. Tako je kuharski pripravnik upisao svoje ime u povijest znanosti, a od sada se ovaj fenomen naziva “Mpemba efekt”. Nemoguće ga je odbaciti, proglasiti ga "nepostojećim". Fenomen postoji i, kako je napisao pjesnik, "ne boli".
Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?
Tijekom godina mnogi su pokušavali razotkriti misterij smrzavanja vode. Predložena je cijela hrpa objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, utjecaj otopljenih tvari - ali niti jedan od ovih faktora ne može se smatrati konačnim. Brojni su znanstvenici cijeli život posvetili Mpemba efektu. Djelatnik Odjela za radijacijsku sigurnost Državno sveučilište New York - James Brownridge - u slobodno vrijeme proučava paradoks više od desetljeća. Nakon provođenja stotina eksperimenata, znanstvenik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da na 0°C voda postaje samo prehlađena i počinje se smrzavati kada temperatura padne ispod. Točku ledišta reguliraju nečistoće u vodi – one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, kao što su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju karakterističnu temperaturu nukleacije kada se kristali leda formiraju oko centara kristalizacije. Kada je u vodi prisutno više elemenata odjednom, ledište određuje onaj koji ima najvišu temperaturu nukleacije.
Za eksperiment je Brownridge uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek smrzava prije drugoga, vjerojatno zbog različite kombinacije nečistoća.
Brownridge kaže da se vruća voda hladi brže jer postoji veća razlika između temperature vode i zamrzivača - to joj pomaže da dosegne svoju točku smrzavanja prije nego hladna voda dosegne svoju prirodnu točku smrzavanja, koja je najmanje 5°C niža.
Međutim, Brownridgeovo razmišljanje otvara mnoga pitanja. Stoga oni koji mogu na svoj način objasniti Mpemba efekt imaju priliku natjecati se za tisuću funti sterlinga Britanskog kraljevskog kemijskog društva.
Internet marketer, urednik web stranice „On pristupačan jezik"
Datum objave: 21. studenog 2017
« Koja se voda brže smrzava, hladna ili topla?“- pokušajte postaviti pitanje svojim prijateljima, vjerojatno će većina odgovoriti da se hladna voda brže smrzava - i pogriješit će.
Naime, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i volumena, od kojih je u jednoj hladna voda, au drugoj vruća, tada će se topla voda brže smrznuti.
Takva se izjava može činiti apsurdnom i nerazumnom. Ako slijedite logiku, onda se topla voda prvo mora ohladiti na temperaturu hladne vode, a hladna voda bi se već trebala pretvoriti u led u ovom trenutku.
Pa zašto topla voda pobjeđuje hladnu na putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.
Povijest opažanja i istraživanja
Ljudi su od davnina promatrali ovaj paradoksalni učinak, ali nitko mu nije pridavao veliku važnost. Tako su Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon, u svojim bilješkama primijetili nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode. Neobična pojava često se pojavljivala u svakodnevnom životu.
Dugo vremena fenomen nije proučavan ni na koji način i nije izazvao veliki interes među znanstvenicima.
Proučavanje ovog neobičnog učinka počelo je 1963. godine, kada je radoznali školarac iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog. U nadi da će dobiti objašnjenje za razloge neobičnog učinka, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.
Kasnije je Mpemba ponovio eksperiment, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, te se paradoksalni učinak opet ponovio.
6 godina kasnije, 1969., Mpemba je ovo pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osbornu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresiran za promatranje mladića, a kao rezultat toga, proveden je eksperiment koji je potvrdio prisutnost učinka, ali razlozi za ovaj fenomen nisu utvrđeni.
Od tada se taj fenomen naziva Mpemba učinak.
Kroz povijest znanstvenih promatranja iznesene su mnoge hipoteze o uzrocima pojave.
Tako je 2012. britanski kraljevski kemijsko društvo raspisalo bi se natjecanje hipoteza koje objašnjavaju efekt Mpemba. Na natjecanju su sudjelovali znanstvenici iz cijelog svijeta, ukupno ih je bilo prijavljeno 22.000 znanstveni radovi. Unatoč tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio paradoks Mpemba.
Najčešća verzija je bila da se vruća voda brže smrzava, jer jednostavno brže isparava, smanjuje joj se volumen, a kako se volumen smanjuje, povećava se brzina hlađenja. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta jer je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, no učinak je ipak potvrđen.
Drugi su znanstvenici vjerovali da je uzrok Mpemba efekta isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tijekom procesa zagrijavanja plinovi otopljeni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobiva više visoka gustoća nego hladno. Kao što je poznato, povećanje gustoće dovodi do promjene fizička svojstva vode (povećana toplinska vodljivost), a time i povećanje brzine hlađenja.
Osim toga, iznesene su brojne hipoteze koje opisuju brzinu kruženja vode ovisno o temperaturi. Mnoga su istraživanja pokušala utvrditi odnos između materijala posuda u kojima se tekućina nalazila. Mnoge su se teorije činile vrlo uvjerljivima, ali nisu se mogle znanstveno potvrditi zbog nedostatka početnih podataka, proturječnosti u drugim eksperimentima ili zato što identificirani čimbenici jednostavno nisu bili usporedivi s brzinom hlađenja vode. Neki su znanstvenici u svojim radovima doveli u pitanje postojanje efekta.
Godine 2013. istraživači s Tehnološkog sveučilišta Nanyang u Singapuru tvrdili su da su riješili misterij Mpemba efekta. Prema njihovom istraživanju, razlog fenomena leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.
Metode računalnog modeliranja pokazale su sljedeće rezultate: što je viša temperatura vode, to je veći razmak između molekula zbog činjenice da se povećavaju odbojne sile. I stoga se vodikove veze molekula rastežu, pohranjujući velika količina energije. Kada se ohlade, molekule se počinju približavati jedna drugoj, oslobađajući energiju iz vodikovih veza. U ovom slučaju oslobađanje energije prati smanjenje temperature.
To su u listopadu 2017. španjolski fizičari, tijekom drugog istraživanja, otkrili velika uloga Upravo uklanjanje tvari iz ravnoteže (jako zagrijavanje prije jakog hlađenja) igra ulogu u nastanku učinka. Odredili su uvjete pod kojima je vjerojatnost pojave učinka maksimalna. Osim toga, znanstvenici iz Španjolske potvrdili su postojanje obrnutog efekta Mpemba. Otkrili su da kada se zagrije, hladniji uzorak može postići visoku temperaturu brže od toplijeg.
Unatoč opsežnim informacijama i brojnim eksperimentima, znanstvenici namjeravaju nastaviti proučavati učinak.
Mpemba efekt u stvarnom životu
Jeste li se ikada zapitali zašto se zimi klizalište puni toplom vodom, a ne hladnom? Kao što već znate, oni to rade jer će se klizalište ispunjeno vrućom vodom brže smrznuti nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga se topla voda ulijeva u tobogane u zimskim ledenim gradovima.
Dakle, znanje o postojanju fenomena omogućuje ljudima da uštede vrijeme pri pripremi mjesta za zimske vrste sportski
Osim toga, Mpemba efekt ponekad se koristi u industriji za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.
Jedan od mojih omiljenih predmeta u školi bila je kemija. Jednom nam je profesorica kemije dala vrlo čudan i težak zadatak. Dao nam je popis pitanja na koja smo morali odgovoriti u smislu kemije. Dobili smo nekoliko dana za ovaj zadatak i dopušteno nam je korištenje knjižnica i drugih dostupnih izvora informacija. Jedno od tih pitanja odnosilo se na točku smrzavanja vode. Ne sjećam se točno kako je zvučalo pitanje, ali radilo se o tome da ako uzmete dvije drvene kante iste veličine, jednu s toplom vodom, drugu s hladnom (s točno naznačenom temperaturom) i stavite ih u okolina s određenom temperaturom, koja će od njih Hoće li se brže smrzavati? Naravno, odgovor se odmah nametnuo - kanta od hladna voda, ali mislili smo da je prejednostavno. Ali to nije bilo dovoljno da damo potpuni odgovor; morali smo to dokazati s kemijskog gledišta. Unatoč svom razmišljanju i istraživanju, nisam mogao doći do logičnog zaključka. Čak sam taj dan odlučio preskočiti ovu lekciju, tako da nikada nisam naučio rješenje ove zagonetke.
Godine su prolazile i naučio sam mnoge svakodnevne mitove o vrelištu i ledištu vode, a jedan mit je rekao: „vruća voda se brže smrzava“. Pogledao sam mnoge web stranice, ali informacije su bile previše proturječne. I to su bila samo mišljenja, neutemeljena sa znanstvenog gledišta. I odlučio sam provesti vlastiti eksperiment. Budući da nisam mogao pronaći drvene kante, koristio sam zamrzivač, štednjak, malo vode i digitalni termometar. O rezultatima svog iskustva reći ću vam malo kasnije. Prvo ću s vama podijeliti neke zanimljive argumente o vodi:
Topla voda smrzava se brže od hladne vode. Većina stručnjaka kaže da će se hladna voda smrznuti brže od tople vode. Ali jedan smiješan fenomen (tzv. Memba efekt), iz nepoznatih razloga, dokazuje suprotno: topla voda se smrzava brže od hladne vode. Jedno od nekoliko objašnjenja je proces isparavanja: ako se vrlo vruća voda stavi u hladno okruženje, voda će početi isparavati (preostala količina vode će se brže smrznuti). A prema zakonima kemije, to uopće nije mit, i najvjerojatnije je to ono što je učiteljica htjela čuti od nas.
Prokuhana voda smrzava se brže od vode iz slavine. Unatoč prethodnom objašnjenju, neki stručnjaci tvrde da bi se prokuhana voda ohlađena na sobnu temperaturu trebala brže smrzavati jer se kuhanjem smanjuje količina kisika.
Hladna voda ključa brže od tople vode. Ako se topla voda brže smrzava, onda možda hladna voda brže proključa! To je suprotno zdravom razumu i znanstvenici kažu da to jednostavno ne može biti. Vruća voda iz slavine zapravo bi trebala ključati brže od hladne vode. Ali korištenje tople vode za kuhanje ne štedi energiju. Možete koristiti manje plina ili svjetla, ali bojler će koristiti istu količinu energije potrebnu za zagrijavanje hladne vode. (S solarnom energijom situacija je malo drugačija). Uslijed zagrijavanja vode bojlerom može doći do pojave taloga pa će se voda duže zagrijavati.
Dodate li vodu soli, brže će prokuhati. Sol povećava točku vrenja (i sukladno tome snižava točku smrzavanja – zbog čega neke domaćice dodaju malo kamene soli u svoj sladoled). Ali u ovom slučaju zanima nas još jedno pitanje: koliko dugo će voda kuhati i može li vrelište u ovom slučaju porasti iznad 100°C). Unatoč onome što piše u kuharice znanstvenici kažu da količina soli koju dodamo kipućoj vodi nije dovoljna da utječe na vrijeme vrenja ili temperaturu.
Ali evo što sam dobio:
Hladna voda: Koristio sam tri staklene čaše pročišćene vode od 100 ml: jednu čašu sobne temperature (72°F/22°C), jednu vruću vodu (115°F/46°C) i jednu s prokuhanom vodom (212 °F/100 °C). Sve tri čaše sam stavila u zamrzivač na -18°C. A budući da sam znao da se voda neće odmah pretvoriti u led, odredio sam stupanj smrzavanja pomoću "drvenog plovka". Kada štapić postavljen u sredinu čaše više nije dodirivao bazu, smatrao sam da je voda zamrznuta. Provjeravao sam naočale svakih pet minuta. I kakvi su moji rezultati? Voda u prvoj čaši zaledila se nakon 50 minuta. Vruća voda se smrznula nakon 80 minuta. Kuhano - nakon 95 minuta. Moja otkrića: S obzirom na uvjete u zamrzivaču i vodu koju sam koristio, nisam uspio reproducirati Memba efekt.
Također sam probao ovaj eksperiment s prethodno prokuhanom vodom ohlađenom na sobnu temperaturu. Smrznuo se u roku od 60 minuta - ipak je trebalo dulje nego hladnoj vodi da se smrzne.
Prokuhana voda: Uzela sam litru vode sobne temperature i stavila na vatru. Prokuhalo je za 6 minuta. Zatim sam ga ponovno ohladila na sobnu temperaturu i dodala u njega dok je bilo vruće. Na istoj vatri vruća voda proključala je za 4 sata i 30 minuta. Zaključak: Očekivano, topla voda proključa mnogo brže.
Prokuhana voda (sa soli): Na 1 litru vode dodala sam 2 velike žlice kuhinjske soli. Zakuhalo je za 6 minuta i 33 sekunde, a kako je pokazivao termometar doseglo je temperaturu od 102°C. Bez sumnje, sol utječe na točku vrenja, ali ne mnogo. Zaključak: sol u vodi ne utječe mnogo na temperaturu i vrijeme vrenja. Iskreno priznajem da se moja kuhinja teško može nazvati laboratorijem, a možda moji zaključci proturječe stvarnosti. Moj zamrzivač možda neće ravnomjerno zamrznuti hranu. Moje staklene naočale su možda bile nepravilnog oblika, itd. Ali što god da se dogodi u laboratoriju, kada govorimo oŠto se tiče zamrzavanja ili kuhanja vode u kuhinji, najvažniji je zdrav razum.
poveznica sa zanimljivostima o vodi sve o vodi
kao što je predloženo na forum.ixbt.com, ovaj učinak (učinak bržeg smrzavanja tople vode od hladne vode) naziva se "Aristotel-Mpemba efekt"
Oni. Prokuhana voda (ohlađena) smrzava se brže od "sirove"
Mpemba učinak(Mpemba's Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode tijekom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja proturječi uobičajenim idejama, prema kojima je, pod istim uvjetima, jače zagrijanom tijelu potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrijanom tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovaj su fenomen svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne.
Biti student Magambinskaya Srednja škola u Tanzaniji Erasto Mpemba učinio praktični rad u kuhanju. Trebao je napraviti domaći sladoled - prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s dovršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, ono se smrznulo čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno prema zadanoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar Es Salaamu (kojeg je direktor škole pozvao da učenicima održi predavanje o fizici) upravo o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrznuti. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba učinak.
Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je da se vrijeme tijekom kojeg se tijelo ohladi na temperaturu okoliš, mora biti proporcionalna razlici temperature između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom se učinku voda s temperaturom od 100°C brže hladi na temperaturu od 0°C od iste količine vode s temperaturom od 35°C.
Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba učinak:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manja količina vode iste temperature se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu smanjuje.
Temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća, stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uvjetima može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući ostati tekući na temperaturama ispod ledišta. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na temperaturi od –20 C.
Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako ih nema u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada se počnu formirati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, stvarajući bljuzgavicu, koja će se zamrznuti i formirati led.
Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem uklanja otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju vruće vode podvrgnute prehlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh.
Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.
Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo.
Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na temperaturi od 4 C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim uvjetima će se u kratkom vremenu na površini vode stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga će daljnji proces hlađenja biti sporiji.
Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.
Međutim, nema eksperimentalnih dokaza koji bi poduprli ovu hipotezu da su hladni i vrući slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
Plinovi otopljeni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Zagrijavanjem vode ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi manja pri visokim temperaturama. Stoga, kada se vruća voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju tu činjenicu.
Toplinska vodljivost
Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavi u zamrzivač odjeljka hladnjaka u malim posudama. Pod tim uvjetima, uočeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude s toplom vodom nego iz posude s hladnom vodom. S druge strane, posuda s hladnom vodom ne otapa snijeg ispod nje.
Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, no jasan odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobiven.
Na primjer, 1995. njemački fizičar David Auerbach proučavao je utjecaj prehlađene vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje.
Osim toga, Auerbachovi rezultati su bili u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda uspjela postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke u njoj otopljene soli.
Za sada se može reći samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima u kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.
