Jeśli umieścimy gorącą wodę w zamrażarce, możemy zaobserwować efekt jej przyspieszonego zamarzania. O zjawisku tym wspominali już Arystoteles, Francis Bacon i René Descartes.

Umieszczając dwa pojemniki z gorącą i zimną wodą w zamrażarce, można zauważyć, że gorąca woda zamarznie szybciej. Fakt ten potwierdza na przykład to, że przy silnym mrozie otwarte rury z gorącą wodą zamarzają szybciej niż rury zimne.
 

Eksperyment w domu

Aby sprawdzić prawdziwość tego zjawiska, można przeprowadzić prosty eksperyment w domu.

1. Proszę wziąć litr wody i dwie oddzielne tacki na kostki lodu.
2. Proszę wlać około połowy wody do czajnika i zagotować ją.
3. Proszę wlać zimną i podgrzaną wodę do tacek i umieścić je w zamrażarce.
4. Proszę poczekać godzinę i zobaczyć, która woda szybciej zamieni się w lód.
    

Paradoks Mpemby

W 1963 roku pewien afrykański uczeń zauważył, że gorąca mieszanka lodów w zamrażarce zamarza szybciej niż zimna. Nie uzyskał odpowiedzi na to pytanie od swojego szkolnego nauczyciela fizyki, ale był w stanie zapytać profesora fizyki Dennisa Osborne'a. Eksperyment z wodą potwierdził ten efekt. W tym przypadku dwie 70 ml próbki wody o temperaturze 25 i 90°C umieszczono w identycznych kubkach w zamrażarce domowej lodówki na kawałkach pianki.

Osborne i Mpemba przeprowadzili następnie serię eksperymentów, których wyniki zostały opublikowane w 1969 roku w czasopiśmie Physics Education.

Główne punkty artykułu zostały przedstawione poniżej.

Ponieważ chłodzenie rozpoczyna się głównie od górnej powierzchni cieczy, szybkość chłodzenia zależy od temperatury tej powierzchni, a nie od średniej temperatury cieczy, a procesy konwekcyjne utrzymują tę temperaturę. W rezultacie szybkość utraty ciepła dla systemu o wyższej temperaturze początkowej będzie również wyższa niż dla systemu bardziej schłodzonego. Stwierdzenie to jest kontrowersyjne, ponieważ woda musi przejść przez temperatury pośrednie przed zamarznięciem, ale biorąc pod uwagę wpływ gradientu temperatury, autorzy pozwolili na pominięcie tego stwierdzenia. Następnie zjawisko to stało się przedmiotem aktywnej dyskusji naukowców i zostało nazwane "efektem Mpemby".

Rysunek przedstawia zależność szybkości zamarzania od początkowej temperatury wody.

Wyjaśnienie efektu Mpemba

Ludzie szukali odpowiedzi na pytanie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej przez pół wieku. Opublikowano setki prac naukowych na ten temat, ale dopiero 54 lata później uzyskano ostateczną odpowiedź.

W 2013 roku Królewskie Towarzystwo Chemiczne Wielkiej Brytanii obiecało przyznać nagrodę w wysokości 1000 funtów każdemu, kto będzie w stanie wyjaśnić efekt Mpemby. Najlepszą odpowiedzią okazał się esej Nikoli Bregovica z Uniwersytetu w Zagrzebiu w Chorwacji. Podsumował on główne teorie badane wcześniej i opisał je.

W 2016 roku grupa naukowców opublikowała materiały badawcze, które zaprzeczały istnieniu tego zjawiska. Wyjaśnienie samego efektu opierało się na błędzie badawczym.

Wydawałoby się, że świat naukowy powinien się uspokoić, ale nie w tym przypadku i w 2017 roku wspólne badanie przeprowadzone przez grupę naukowców z Chin i Stanów Zjednoczonych wyjaśniło to zjawisko wiązaniami wodorowymi w strukturze klastrowej wody.

Główne teorie

Parowanie wody

Niektórzy naukowcy wyjaśnili, że podgrzana woda paruje szybciej, a zatem albo zamarza w powietrzu i tworzy skorupę lodową, albo jest po prostu usuwana z systemu. Warto zauważyć, że we wszystkich eksperymentach, w których ważono masę wody przed i po zamrożeniu, maksymalna utrata masy nie przekraczała 3%. Tak nieznaczna zmiana masy oczywiście nie może spowodować znacznego przyspieszenia zamarzania. Kolejną trudnością w tym eksperymencie było to, że prawie niemożliwe było udowodnienie tego punktu, ponieważ uszczelnienie pojemnika zamrożoną wodą zmieniłoby nie tylko parowanie, ale także ruch przepływów ciepła.

Rozpuszczone gazy

Rozpuszczalność gazów w wodzie maleje wraz ze wzrostem temperatury. Na tej podstawie niektórzy badacze założyli, że szybkie zamarzanie wody jest związane z tym faktem. Badania Thomasa wykazały, że różnica temperatur zamarzania nieznacznie odbiega od zera, a Auerbach udowodnił, że stężenie gazów w wodzie nie wpływa na przechłodzenie.

Konwekcja jest wzmocniona przez gradient ciepła

Proszę zrozumieć, czym są konwekcja i gradient ciepła. Gdy pojemnik z wodą zostanie umieszczony w zamrażarce, ciecz na powierzchni i w pobliżu ścian pojemnika wchodzi w kontakt z zimnym środowiskiem i szybciej się ochładza. Jednocześnie temperatura wewnątrz próbki jest utrzymywana, co powoduje różnicę temperatur lub gradient temperatury w pojemniku. Powoduje to przenoszenie ciepła, a im silniejszy gradient, tym lepsza konwekcja. W związku z tym, im wyższa różnica temperatur, tym bardziej aktywny będzie transfer ciepła i chłodzenie.

Wiązania wodorowe

W 2017 r. udzielono ostatecznej odpowiedzi na pytanie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Powodem są właściwości wiązań wodorowych. Kluczowym argumentem badaczy jest to, że liczba silnych wiązań wodorowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a istnienie małych silnie związanych klastrów z kolei przyczynia się do tworzenia regularnego sześciokątnego lodu, gdy ciepła woda szybko się ochładza. Ponadto udowodniono odwrotny efekt szybkiego ogrzewania przechłodzonej wody.

Pisaliśmy już o powstawaniu lodu i umiejscowieniu cząsteczki wody w jego strukturze.
Nawiasem mówiąc, badania trwają :)

Źródła:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Różne sposoby wiązania wodoru w wodzie - dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna? ACS Publications. Collection. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
2. N. Bregović, Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
3. Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li i Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

‍