Gdy pojawia się siarczysty mróz, warto wyjść z pojemnikiem gorącej wody i zrobić piękne zdjęcia wrzątku zamieniającego się w chmurę lodową. Jest to efekt Mpemby. Wyjaśniamy, czym jest ten efekt, kiedy i jak go uzyskać.
Efekt Mpemby – Co to jest?
Efekt Mpemby jest to zjawisko polegające na szybszym zamarzaniu cieczy (najczęściej wody), która jest gorąca od tej samej cieczy, która jest zimna. Zjawisko to dzieje się w określonych warunkach. Logika podpowiada nam, że pojemnik z wodą schłodzoną zamarznie szybciej, niż pojemnik z wodą gorącą. I tak dzieje się w większości przypadków, ale nie zawsze.
Można się o tym przekonać przy bardzo silnych mrozach. Umieścić wystarczy wrzącą wodę w naczyniu, a następnie szybkim ruchem wylać na zewnątrz naczynia. Podczas wylewania wody, ta w szybkim tempie przejdzie ze stanu skupienia ciekłego w gazowy. Po wodzie powstaje chmura zbudowana z kryształków zamarzniętej wody.
Obserwacje przed Mpembą?
Szybsze zamarzanie gorącej wody obserwowano już w czasach starożytnych. Arystoteles pisał: „Fakt, że woda została wcześniej ogrzana, przyczynia się do jej szybkiego zamarzania, ponieważ szybciej się ochładza. Dlatego wiele osób, chcąc szybko schłodzić wodę, zaczyna od wyłożenia jej na słońce. Tak więc mieszkańcy Pontu, kiedy obozują na lodzie, aby łowić ryby, wylewają ciepłą wodę wokół trzciny, aby mogła szybciej zamarznąć, ponieważ używają lodu jak ołowiu do mocowania trzciny. „
Francis Bacon pisał tak: „lekko letnia woda zamarza łatwiej niż ta, która jest całkowicie zimna”. Podobne obserwacje czynili i opisali Joseph Black oraz Rene Descartes.
Obserwacje Erasto Mpemby
Jednak najbardziej nam znana obserwacja została opisana w 1963 roku przez Erasto Mpembę. Pochodzący z Tanzanii Mpemba uczęszczając na lekcjach gotowania, zamrażał mieszanki lodów. Pewnego razu z powodu braku czasu włożył do zamrażarki prócz schłodzonych lodów mieszankę gorącą. Ku jego zdziwieniu gorąca mieszanka zamarzła szybciej niż mieszanki wychłodzone. W szkole wyższej zainteresował tym problemem swoich wykładowców.
Mpemba i Denis Osborne opublikowali wyniki razem w 1969 roku, podczas gdy Mpemba studiował w College of African Wildlife Management. Mpemba i Osborne opisują umieszczenie próbek 70 ml wody w zlewkach o pojemności 100 ml w lodówce domowej na arkuszu pianki polistyrenowej. Eksperymenty wykazały, że czas rozpoczęcia zamrażania był najdłuższy z początkową temperaturą 25 ° C i że był znacznie krótszy w temperaturze około 90 ° C. Wykluczyli utratę objętości cieczy przez odparowanie jako istotny czynnik i wpływ rozpuszczonego powietrza.
Efekt Mpemby — próby wyjaśnienia zjawiska.
Pojawia się wiele prób wyjaśnień powstawania tego zjawiska. Przyjmuje się za najbardziej prawdopodobne to, związane z budową molekularną wody. Pojedyncza jej cząsteczka zawiera duży atom tlenu oraz dwa mniejsze atomy wodoru, które są przyłączone do tlenu za pomocą wiązań kowalencyjnych.
Jeśli cząsteczek wody jest dużo, zaczynają się one ze sobą zbijać w grupy za pomocą wiązań wodorowych. Wiązania te są słabsze od wiązań kowalencyjnych, jednak kluczowe dla opisywanego efektu.
Wiązania wodorowe w normalnych warunkach prowadzą do bliższego ściśnięcia cząsteczek wody. Cząsteczki zaczynają się odpychać, rozciągając tym samym wiązania kowalencyjne wodoru z tlenem. Gromadzą w nich energię. Podczas podgrzewania wody wiązania wodorowe się wydłużają, oddalając cząsteczki wody od siebie. Wtedy wiązania kowalencyjne oddają energię — przyspieszając schładzanie wody.
W 2016 roku powyższą teorię znów podważono. Mimo tego na tę chwilę jest nadal najbardziej prawdopodobna.
Efekt Mpemby – Jak wykonać obserwację?
Najważniejszym jest temperatura. Im silniejszy mróz — tym lepiej. Zalecamy rozpoczęcie eksperymentu gdy temperatury na zewnątrz oscylują poniżej -20 stopni Celsjusza. Choć bywają osoby, które wykonują eksperyment gdy temperatury są już w okolicach –15 stopni Celsjusza, to my tego nie zalecamy. Bywały przypadki, że ludzie poparzyli się, ponieważ woda nie odparowała w całości i krople spadły na wykonującego eksperyment.
Wrzątek powinniśmy mieć w butelce lub termosie. Następnie bardzo szybkim ruchem wylejmy zawartość na zewnątrz. W trakcie wylewania gorącej wody powstaje chmura zbudowana z kryształków lodowych.
Dzięki złotej godzinie możemy spotęgować jakość efektu. Gdy ustawimy się odpowiedni między wschodzącym słońcem, a osobą nas fotografująca promienie słońca efektownie podświetlą chmurę z kryształków lodowych.