Мпемба ефекат

Мпемба ефекат је појава да топла вода мења своје агрегатно стање из течног у чврсто (односно да се смрзава) брже од хладне воде. Назив је добила по танзанијском студенту Ерасту Б. Мпемби који је први описао ову појаву. Ово не изгледа логично, али је потврђено да је тачно.

Историјат

Појава да се топлија вода брже мрзне од хладније била је позната још Аристотелу (384 - 322. п. н. е.), у време када откриће термометра (XVII век) није још било ни на помолу. Касније, у средњем веку, дошло је до дискусије међу научницима као што су: Роџер Бејкон, Ђовани Марлиани, затим у касном средњем веку: Франсис Бејкон и Рене Декарт, који су покушали да дају реционално објашњење овог феномена.

Услед недостатка научних доказа који би потврдили њихове теорије или из неких других свакако чудних разлога, ова појава пада у заборав, све до анегдоте која се тиче танзанијског студента Ераста Б. Мпембе из 1963. године, по којем је и названа. Наиме, као средњошколац код професора Еугена Маршала у Мквава школи, правио је сладолед. Помешавши врело млеко са шећером, без претходног хлађења, ставио га је у фрижидер. То је произвело изванредан ефекат због којег се он са задивљијућом упорношћу суочио у лице са неверицом од стране свог професора који очигледно није имао објашњење – његов сладолед од топлог млека се брже замрзао од сладоледа других студената са охлађеним млеком. Мпемба је поновио оглед и потом написао рад са Денисом Осборном 1969. године, и Мпембин ефекат је поново задобио велику пажњу научне јавности.

Као што се то често дешава, исте године је рад објавио и Канађанин Џорџ С. Кел, независно од Мпембе и Осборна, у којем је помоћу испаравања покушао да објасни овај феномен, што је према Мпемби и Осборну био недовољан доказ.

Због одсуства доказа који потврђују теорију да се топлија вода брже мрзне од хладније и очекивајуће здраворазумске нелогичности, овај ефекат често се назива и парадоксом.

Експеримент

Експериментални део овог феномена изводи се помоћу два једнака суда са једнаком количином воде, која је драстично различите температуре, започињање хлађења ниховог садржаја коришћењем идентичног процеса. Под одређеним условима, вода која је у почетном тренутку била топлија ће се прва замрзнути. Мпембин ефекат се односи на достизање стадијума потпуног замрзавања и ово је очекивани резултат.

Могући узроци

Сматра се да би могући узроци овог феномена могли бити:

• Испаравање - Утиче на време замрзавања воде, при испаравању се губи на маси.
• Околина - Нпр. ако се посуде налазе на танком слоју леда, могуће је да ће суд са топлијом водом растопити лед и бити у бољем контакту са замрзивачем, те ће се тако брже и заледити.;
• Почетна температура - Један од главних фактора замрзавања. За воду која се налази на 90ºC сматра се да мора прво да опада за више степени од воде чија је почетна температура 70ºC. Након претварања воде у лед, њена температура може постати и мања, уколико је температура ваздуха нижа.
• Количина ваздуха у води - Хладнија вода има више раствореног ваздуха у себи него топлија, а последица тога је што се он при кључању ослобађа. Могуће је да тај гас на неки начин утиче на Тачка смрзавања|тачку смрзавања воде или количину топлоте потребне да се одређена количина воде охлади.
• Конвекција - Један од главних начина преноса топлоте. Усмерено кретање, односно струјање флуида. Топлији флуид се креће према хладнијем и предаје топлоту околини.
• Проводљивост - Процес хлађења кроз материјал који се одражава на воду. Нпр. вода која је држана у посуди од стиропора ће се другачије хладити од воде која се налази у металној посуди.

као и количина воде у посудама, величина, облик и материјали посуда, температура замрзивача, итд. Међутим, неке од ових чињеница су међусобно контрадикторне, што и јесте разлог дефицита доказа који одређују узроке овог феномена.

Решење

Једно од вероватнијих решења овог ефекта било би испаравање – количина воде изгубљена испаравањем може бити један од фактора који утичу на брже замрзавање почетно топлије воде. Међутим, по Мпемби и Осборну, испаравање није довољно за објашњавање овог ефекта, јер је маса воде која се изгуби испаравањем недовољна. Такође, научник Wојциецхоwски је исти експеримент урадио са затвореним посудама и дошао до истих резултата. Опште је мишљење да постоји неограничен број комбинација релевантних параметара експеримента у чијим оквирима ће Мпемба ефекат важити или неће важити. Овај парадокс укључује много фактора који су међусобно контрадикторни па самим тим, заједно са чињеницом да не постоје прецизно одређене вредности параметара у чијим ће се границама топлија вода замрзавати брже него хладнија, сматра се нерешеним експериментом.

Литература

• Auerbach, D. (1995). Supercooling and the Mpemba effect: when hot water freezes quicker than cold. American Journal of Physics, 63 (10).
• Cucić, D. (2009). Paradoxes of Thermodynamics. 7th International Conference of the Balkan Physical Union BPU7, Alexandroupolis – Greece 9-13. September 2009. (Poster presentation, Book of Abstracts p. 218), AIP Conf. Proc. - January 21, 2010 – Volume 1203, p. 1267-1270.
• Cucić, Dragoljub A. (2009). „Paradoxes of Thermodynamics and Statistical Physics”. arXiv:0912.1756v1 . 
• Jeng, Monwhea (2005). „Hot water can freeze faster than cold?!?”. Bibcode:2005physics..12262J. arXiv:physics/0512262 . 
• Katz, J. I. (2009). „When hot water freezes before cold”. American Journal of Physics. 77 (1): 27—29. Bibcode:2009AmJPh..77...27K. S2CID 119356481. arXiv:physics/0604224 . doi:10.1119/1.2996187. 
• Kell, G. S. (1969). The freezing of hot and cold water. Am. J. Phys. 37, p. 564
• Mpemba, E. B. & Osborne, D. G. (1969). Cool. Physics Education, vol. 4, p. 172-5.

Спољашње везе

• Мпемба, Е Б; Осборне, D Г. „Тхе Мпемба еффецт” (ПДФ). Институте оф Пхyсицс. 
• Адамс, Цецил; Марy M.Q.C. (1996). „Wхицх фреезес фастер, хот wатер ор цолд wатер?”. Тхе Страигхт Допе. Цхицаго Реадер, Инц. Приступљено Јануарy 2008. 
• Броwнридге, Јамес (2010). „А сеарцх фор тхе Мпемба еффецт: Wхен хот wатер фреезес фастер тхан цолд wатер”. арXив:1003.3185  [пхyсицс.поп-пх].