Efekt Mpemby to przeczące intuicji zjawisko. Do dziś wzbudza wiele kontrowersji

Spis treści:

1. Ciepła woda zamarza szybciej niż zimna? Właśnie to zakłada efekt Mpemby
2. Skąd wzięła się nazwa tego efektu? To rezultat przypadkowego ponownego odkrycia
3. Jak naukowcy tłumaczyli efekt Mpemby?
4. Efekt Mpemby występuje także w układach kwantowych
5. Krytyka efektu Mpemby

Elementarne reguły poprawnego rozumowania jednoznacznie podpowiadają, że im niższa temperatura cieczy, tym szybciej powinien postępować proces zamarzania. Wydaje się to absolutnie logiczne. W końcu nikt, kto chce zrobić kostki lodu, nie umieszcza w zamrażalniku ciepłej wody. Tymczasem już starożytni myśliciele sądzili, że w tym przypadku logika prowadzi nas na manowce. W drugiej połowie XX wieku przypadkowo potwierdził to pewien uczeń szkoły podstawowej z Tanzanii.

Ciepła woda zamarza szybciej niż zimna? Właśnie to zakłada efekt Mpemby

Choć wydaje się to stać w sprzeczności ze zdrowym rozsądkiem, efekt Mpemby odnosi się do sytuacji, w której w pewnych warunkach woda o wyższej temperaturze zamarza szybciej niż chłodniejsza. Mamy tu zatem do czynienia z absolutnym paradoksem, nad którym naukowcy głowią się do dziś. Zgodnie z podstawowymi zasadami termodynamiki, obiekt o niższej temperaturze powinien szybciej osiągnąć punkt zamarzania i zakończyć proces krzepnięcia. A jednak dzieje się inaczej.

W tym miejscu należy podkreślić, że efekt Mpemby nie jest zjawiskiem uniwersalnym. Żeby zaszedł, muszą zostać spełnione specyficzne parametry, a te trudno uzyskać:

• musi istnieć znacząca różnica temperatur początkowych wody ciepłej i zimnej (zaobserwowano, że najkorzystniejsze efekty daje gradient temperatur na poziomie około 40 stopni Celsjusza),
• oba naczynia z wodą muszą być umieszczone w identycznych warunkach zamrażania,
• należy jasno zdefiniować „zamarznięcie” – czy chodzi o moment, w którym na powierzchni cieczy pojawia się warstwa lodu, czy o całkowite zamarznięcie całej objętości?

Wiedziano o tym już w starożytności

Nie wiadomo, kto jako pierwszy zaobserwował ten fenomen. Pierwszeństwo w opisie niezwykłego zjawiska przypadło w udziale Arystotelesowi, który poświęcił mu strony w swoim traktacie „Meteorologika”.

Skąd wzięła się nazwa tego efektu? To rezultat przypadkowego ponownego odkrycia

Należy jednak wspomnieć, że choć mówili o tym starożytni, nazwa „efekt Mpemby” ukuła się wiele wieków później. Zawdzięczamy ją pewnemu trzynastolatkowi z Tanzanii.

W 1963 roku Erast B. Mpemba, uczeń szkoły podstawowej, podczas przygotowywania lodów zaobserwował, że wyższa temperatura mieszanki sprzyja jej szybszemu zamarzaniu. Dorośli jak to dorośli – zareagowali uśmiechem. Praktyka pokazała jednak, że nastolatek miał rację. W późniejszych latach jego obserwacja zainteresowała naukowców i do dziś jest przedmiotem debat i badań.

Brak wsparcia ze strony nauczycieli nie zniechęcił młodego Erasta do dalszego poszukiwania wyjaśnienia tego zjawiska. Gdy szkołę, w której się uczył, odwiedził brytyjski fizyk Denis Osborne, zapytał go o ten fenomen. Ta interakcja zaowocowała wspólną publikacją, zatytułowaną „Cool?”, która wprowadziła efekt do współczesnej świadomości naukowej, nadając mu nazwę i inicjując badania w tym zakresie.

Jak naukowcy tłumaczyli efekt Mpemby?

Na przestrzeni lat proponowano różne wyjaśnienia efektu Mpemby. Wśród czynników, które decydują o jego wystąpieniu, najczęściej wymieniano zjawiska takie jak:

• parowanie (które, jako proces endoenergetyczny, przyspiesza ochładzanie wody w zbiorniku i zmniejsza jej objętość, a co za tym idzie – także pojemność cieplną),
• konwekcja (która przyspiesza przepływ ciepła),
• zmiana zawartości gazów rozpuszczonych w wodzie (będące efektem wrzenia lub nawet wcześniejszego podgrzania cieczy).

W tym miejscu należy jednak wspomnieć, że w toku prowadzonych badań Osborne i Mpemba wykluczyli parowanie jako istotny czynnik.

Przyczyna może leżeć w wiązaniach wodorowych

Obecnie w środowisku naukowym dominuje pogląd, że za wystąpienie efektu odpowiadają wiązania wodorowe, występujące pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami wody. W procesie podgrzewania cieczy liczba silnych wiązań ulega zwiększeniu, w następstwie czego obserwowana w lodzie struktura krystaliczna wytwarza się szybciej. Do takiego wniosku doszli naukowcy z Uniwersytetu Southern Methodist w Teksasie i chińskiego Uniwersytetu Nanjing, a swoje obserwacje opisali w artykule opublikowanym na łamach „Journal o Chemical Theory and Computation”.

Efekt Mpemby występuje także w układach kwantowych

Nie można nie wspomnieć, że opisywane zjawisko może być obserwowane w różnych systemach fizycznych. W kwantowym analogu klasycznego efektu Mpemby, gorące systemy chłodzą się szybciej niż zimne w tych samych warunkach. Oznacza to, że stany nierównowagowe mogą relaksować szybciej, gdy są dalekie od równowagi.

Krytyka efektu Mpemby

Nie można nie wspomnieć, że niektórzy badacze negują istnienie tego efektu. Najgłośniejszą krytykę wygłosili w 2016 roku Henry Birridge i Paul Linden. Naukowcy wykonali eksperyment, którego wyniki opublikowali na łamach „Scientific Reports”. Pomimo najlepszych starań, nie byli w stanie zaobserwować żadnych fizycznych efektów, które można by określić jako efekt Mpemby.

Nasz autor

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.