Z horké vody vytvoříte led dříve než ze studené. Jev popsal nepřímo už Aristoteles, zatímco jiní jej popírají dodnes. Pravdou je, že ani jeden z 20 000 odborných článků na toto téma doposud nepřinesl obecně přijatelné vysvětlení.
V roce 1963 si Erasto Mpemba, žák Magamba Secondary School v Tanzanii, všiml, že zmrzlina, jednoduše připravená v mrazicím boxu ledničky z horkého mléka a rozpuštěného cukru, je hotová dříve než z mléka předem vychladlého. Jev popsal svému učiteli, který se mu však vysmál a řekl, že je to „Mpembova fyzika“, zatímco ostatní se řídí obecně platnými přírodními zákony.
Erasto se však nedal odradit a ptal se dál. Znovu jako student na Mkwawa High School ve městě Iringa, kde se setkal s dr. Osbornem z University College Dar es Salaam. Ten byl toho názoru, že žádný studentský dotaz by neměl zapadnout, a proto slíbil, že se na problém podívá. Experimentálně jej potvrdil a společně o tom napsali článek.
Pozorování, odporující lidské intuici, není zcela nové. Aristoteles kolem roku 350 př. n. l. popisoval obecný zvyk dávat vodu, která měla být dobře vychlazená, nejdříve na slunce. Roger Bacon (1214 – 1294) a o čtyři století později Francis Bacon (1561 – 1626) připouštěli existenci takového jevu, stejně jako René Descartes (1596 – 1650).
V posledních 20 letech se mnoho fyziků pokoušelo Mpembův jev objasnit a zajímali se také o jev opačný, kdy se studená voda ohřeje rychleji k varu než teplá. Britská The Royal Society of Chemistry dokonce sponzorovala v roce 2012 soutěž, aby podnítila vědce k publikaci pravděpodobných vysvětlení. Zatím ovšem žádný z 20 000 článků na toto téma nezískal všeobecný konsenzus.
Jedna skupina prací vsázela na konvekční proudy, které se ve vodě formují při ohřívání. Tím stoupá k povrchu horká voda, která se více odpařuje než voda studená. Zbylá voda se proto ohřeje dříve. Pak by ovšem měl jev být výraznější v otevřené nádobě. To se však nepotvrdilo.
Další práce uvažovaly tzv. přechlazení vody. Při něm zůstává voda v kapalném stavu i pod teplotou tuhnutí. Bylo prokázáno, že studenou vodu lze přechladit na nižší teplotu než vodu teplou. To se ovšem děje jen ve vodě, která neobsahuje žádná kondenzační jádra, tedy je chemicky, biologicky i mechanicky velmi čistá. Naproti tomu existuje práce z roku 2009, která popisuje, že uhličitan vápenatý nebo hořečnatý ve studené vodě zpomaluje její chladnutí.
Někteří chemici spojují Mpembův jev s jedinečnou povahou vodíkových vazeb ve vodě. Tyto vazby mezi molekulami jsou slabší než kovalentní vazba mezi vodíkem a kyslíkem, a rozbíjejí se s vyšší teplotou. Vznikají fragmenty, které by mohly mít větší tendenci ke krystalizaci.
Žádný přístup však nepřesvědčil skeptiky. Někteří z nich se dokonce domnívají, že tento jev neexistuje a při jeho experimentální realizaci se nedodržují naprosto přesně stejné podmínky.
Možná, že se najde správné řešení v zapojení nerovnovážné termodynamiky. Systém setrvává v rovnováze, pokud se s časem jeho základní vlastnosti nemění. Mnoho přírodních jevů však nastává ve stavu daleko od termodynamické rovnováhy v otevřeném systému. Zatímco průměrné chování každé molekuly v rovnovážném stavu systému je identické v každém místě, za nerovnovážných podmínek může být v každém místě jiná teplota či jiná hustota. A do hry je třeba vzít i mrazák, který bude ovlivněn procesem chladnutí horké kapaliny.
Jedním z dalších zajímavých přístupů je koncept granulovaných kapalin. Model řeší suspenzi nepružných kuliček v kapalině. Ty do sebe narážejí, a tím ztrácejí svou energii. Protože se „horké“ kuličky srážejí častěji než ty „studené“, může taková horká směs utuhnout rychleji. Erasto Mpemba používal mléko, suspenzi tukových kapiček ve vodě, kterou lze ke konceptu granulovaných kapalin přirovnat. Proč by mělo toto vysvětlení fungovat v čisté vodě? Autoři namítají, že sama obsahuje spoustu podobně velikých částic, které mohou působit stejně jako kapičky tuku.
Nemáte chuť si to zkusit? Do mléka zamíchejte cukr, polovinu zahřejte a obě stejné části nalijte do stejných tvořítek na led. A šup s tím do mrazáku. Ten bude ale trochu trpět, s tím musíte počítat.
Vlastní pokus vás třeba inspiruje k nějakému dalšímu vysvětlení poněkud vzdorujícího Mpembova jevu. Třeba znovu objevíte něco, co věděli Aristoteles nebo Descartes a co bylo později nějakým nedopatřením zapomenuto…
Originální zdroje:
When cold warms faster than hot – Physics World. Home – Physics World
[online]. Copyright © 2020 by IOP Publishing Ltd and individual contributors
[cit. 25.11.2020]. Dostupné z: https://physicsworld.com/a/when-cold-warms-faster-than-hot/
E. B. Mpemba, D. G. Osborne: Cool? Phys. Educ. 4 (1969) 172-175.
Mohlo by vás také zajímat: