Niewyjaśnione Zjawisko Fizyczne - Efekt Mpemby

Opublikuj na Twitterze Podziel się na Facebooku Dodaj do StumbleUpon

Podobno woda to jedna z najlepiej poznanych substancji obecnych na powierzchni ziemi, lecz mimo to jedno z zagadnień z nią związanych do tej pory spędza fizykom sen z powiek. Zwane w czasach współczesnych efektem Mpemby zjawisko, znane było już dużo wcześniej. Kartezjusz odnotował, że jego doświadczenia wykazują, iż "woda trzymana na ogniu przez czas długi zamarza rychlej niż inna".

Zjawisko to zostało zauważone, w czasach nam współczesnych, nie tak dawno bo w roku 1963 przez afrykańskiego ucznia Erasto B. Mpembę. Spostrzegł on, że w określonych warunkach fizycznych ciepła woda zamarza szybciej niż zimna.

"Nazywam się Erasto B. Mpemba i chciałbym opowiedzieć wam o moim odkryciu. W 1963 roku, kiedy byłem w trzeciej klasie szkoły średniej w Magambie w Tanzanii, często robiłem sobie lody. Chłopcy w szkole robili to następująco: gotowali mleko, słodzili je, mieszali, chłodzili do temperatury pokojowej i wstawiali do zamrażalnika lodówki.
Pewnego dnia zakupiłem mleko od miejscowej sprzedawczyni i zacząłem je gotować. Jednak inny chłopiec, który też kupił mleko, obawiał się, żeby mu nie zabrakło miejsca w lodówce, osłodził swoje mleko, zamieszał, szybko przelał do naczyńka i wstawił do zamrażarki. Ja z obawy, by nie przepadło mi ostatnie naczyńko do lodów, nie czekałem już na wystudzenie mleka i wstawiłem je gorące do zamrażarki. Po upływie półtorej godziny wróciliśmy z kolegą do lodówki i stwierdziliśmy, że moje mleko zamarzło, podczas gdy jego było gęstą cieczą niezamrożoną.
Spytałem mojego nauczyciela do fizyki, dlaczego tak się stało, a on mi odpowiedział, że to niemożliwe. Nazwał mój eksperyment 'fizyką Mpemby'.
Po jakimś czasie powtórzyłem eksperyment.
Wziąłem dwie zlewki po 50 cm³ każda, jedną napełniłem zimną wodą z kranu, a drugą gorącą wodą z bojlera i wstawiłem obie zlewki do zamrażalnika lodówki w pracowni. Po godzinie wróciłem, żeby zobaczyć, co się stało. Okazało się, że nie cała woda zamarzła, ale w zlewce, w której była uprzednio gorąca woda, było więcej lodu niż w tej, w której była zimna woda"

Obserwacje Mpemby zakreśliły szersze kręgi w świecie fizyków dopiero po tym gdy po kilku latach liceum w Mkwawie odwiedził Denis Osborne, profesor z Uniwersytetu Dar es‑Salaam. Po wykładzie dla uczniów, o który został poproszony, wśród dociekliwych pytań z sali znalazło się to zadane przez niepozornego żaka: "gdy weźmie się dwie zlewki zawierające jednakowe ilości wody, jedną o temperaturze 35 stopni, drugą o temperaturze 100 stopni, to cieplejsza zamarznie w lodówce wcześniej. Dlaczego?"

Zaintrygowało go to do tego stopnia, że  po powrocie na Uniwersytet, nakazał laborantom przeprowadzenie doświadczenia, którego wyniki potwierdziły tezę studenta z Afryki. W efekcie tego w 1969 roku Osborne i Mpemba napisali wspólną pracę o swoich obserwacjach, którą opublikowali w czasopiśmie „Physics Education”, nadając sprawie światowy rozgłos.

Jak się okazuje zjawisko to występuje powszechnie wokół nas i niekiedy daje się nam we znaki powodując, że rury z ciepłą woda pękają znacznie częściej niż te z zimną, biegnące tuz obok. Fizycy od wielu lat próbują ustalić przyczynę takiego stanu rzeczy, ale jak dotąd żadna z teorii nie dała 100% odpowiedzi.

Istnieje pięć teorii próbujących wyjaśnić efekt Mpemby, wszystkie jednak zdaja sie mijać z prawdą:

• Pierwsza z teorii mówi, że ciecz mająca wyższą temperaturę po wstawieniu do zamrażalnika paruje intensywniej, w wyniku czego jest jej mniej i szybciej ulega zamarzaniu niż ciecz zimna. Tę tezę autorstwa Pablo Debenedetti z Uniwersytetu w Princeton łatwo jednak podważyć eliminując efekt parowania poprzez przykrycie naczynia np. szczelną pokrywką.
• Polscy naukowcy Bednarz, Owczarek i Wojciechowski przedstawili teorię, że w wyniku podgrzania z wody uwalniane są rozpuszczone w niej gazy, w wyniku czego woda odgazowana zamarza szybciej niż ta wypełniona pęcherzykami powietrza, które stanowią izolację, podobnie jak w styropianie. Doświadczenia nie potwierdziły tego jednak w 100%.
• Wzięto również pod uwagę wpływ konwekcji w przypływie ciepła z naczyń do zamrażalnika. Jak wiadomo silniejsze prądy konwekcyjne występują w w odzie gorącej. W tym przypadku nie bez znaczenia pozostaje również kształt naczynia. Ta teoria też nie doczekała się pełnego udokumentowania i potwierdzenia.
• W pełni nie udokumentowano również hipotezy mówiącej o tym, że rozpuszczone w wodzie sole mineralne obniżają temperaturę jej zamarzania i spowalniają cały proces. W wodzie gorącej sole mineralne ulegają wytrąceniu co można łatwo zaobserwować na ściankach czajnika w postaci osadu, popularnie zwanego kamieniem.
• Ostatnia teoria wskazuje na izolacyjne właściwości cienkiej warstwy szronu, która powstaje na dnie naczynia z ciepłą wodą po wystawieniu go na mróz. Łatwo jednak została obalona ponieważ efekt Mpemby występuje również po odizolowaniu naczynia od podłoża np. warstwą styropianu.

Jak widać, pomimo zaawansowanych technologii, ery lotów kosmicznych oraz szeroko pojętego poznania otaczającego nas świata, są jeszcze zjawiska fizyczne, których ludzkości nie udało się wyjaśnić.

Źródła: Przekrój, Uniwersytet Jagielloński

Posted in: Ciekawostki