The Physics of Why Hot Water Sometimes Freezes Faster Than Cold Water

Historia mówi, że w 1963 roku, tanzański licealista Erasto Mpemba robił lody ze swoją klasą, kiedy niecierpliwie włożył swoją miksturę z cukru i mleka do maszyny do lodów, kiedy była jeszcze gorąca, zamiast pozwolić jej najpierw ostygnąć. Ku jego zaskoczeniu, cukier schłodził się szybciej niż jego koledzy mieli.

Z pomocą profesora fizyki, Mpemba wykonał dodatkowe eksperymenty, umieszczając dwie szklanki wody, jedną właśnie ugotowaną i jedną ciepłą, w zamrażarce i widząc, która z nich osiągnęła metę zamrażania jako pierwsza. Często woda o wyższej temperaturze początkowej zamarzała jako pierwsza. Ich obserwacje rozpoczęły trwającą dziesiątki lat dyskusję na temat istnienia i szczegółów tego sprzecznego z intuicją zjawiska, zwanego obecnie efektem Mpemby.

Teraz, nowe badania opublikowane 5 sierpnia w czasopiśmie Nature nie tylko pokazują, że efekt Mpemby istnieje, ale również rzucają światło na to, jak on występuje, raporty Emily Conover dla Science News.

Zamiast eksperymentować na zamarzającej wodzie, która jest zaskakująco skomplikowana do badania, fizycy Avinash Kumar i John Bechhofer z Simon Fraser University skupili swój wzrok – i lasery – na mikroskopijnych szklanych kulkach. Zmierzyli, jak szklane kulki poruszają się w wodzie w bardzo specyficznych warunkach i zauważyli, że w pewnych okolicznościach kulki, które zaczęły się bardzo gorące, stygły szybciej niż te, które nie stygły.

„To jedna z tych bardzo prostych konfiguracji, a już jest wystarczająco bogata, aby pokazać ten efekt.” mówi Science News fizyk teoretyczny z University of Virginia Marija Vucelja. Eksperyment sugeruje również, że efekt może pojawić się w materiałach innych niż woda i szklane kulki. Vucelja mówi: „Wyobrażam sobie, że ten efekt pojawia się dość ogólnie w naturze gdzie indziej, tylko my nie zwróciliśmy na niego uwagi.”

Jeśli punkt zamarzania jest linią mety, to temperatura początkowa jest jak punkt startowy. Więc to miałoby sens, gdyby niższa temperatura początkowa, z mniejszą odległością do linii mety, była zawsze pierwszą, która ją osiągnie. Z efektem Mpemby, czasami gorętsza woda osiąga linię mety jako pierwsza.

Ale to staje się bardziej skomplikowane. Z jednej strony, woda zwykle ma inne rzeczy, jak minerały, zmieszane w niej. A fizycy nie zgadzali się co do tego, czym dokładnie jest linia mety: czy jest to moment, w którym woda w pojemniku osiąga temperaturę zamarzania, zaczyna krzepnąć, czy całkowicie krzepnie? Te szczegóły sprawiają, że zjawisko jest trudne do bezpośredniego zbadania, pisze Anna Demming dla Physics World.

Nowy eksperyment pozbywa się szczegółów, które sprawiają, że efekt Mpemby jest tak mroczny. W każdym teście upuszczono jedną mikroskopijną szklaną kulkę do małej studni z wodą. Tam, użyli lasera do wywierania kontrolowanych sił na koralik, i mierzyli temperaturę koralika, na Science News. Powtórzyli test ponad 1000 razy, upuszczając koraliki w różnych studniach i zaczynając w różnych temperaturach.

Pod pewnymi siłami z lasera, najgorętsze koraliki chłodziły się szybciej niż koraliki o niższej temperaturze. Badania sugerują, że dłuższa ścieżka od wyższej temperatury do punktu zamarzania może tworzyć skróty, tak że temperatura gorącej kulki może osiągnąć linię mety przed chłodniejszą kulką.

Bechhoefer opisuje system eksperymentalny jako „abstrakcyjny” i „prawie geometryczny” sposób obrazowania efektu Mpemby dla Physics World. Ale używając tego systemu, on i Kumar zidentyfikowali optymalne „temperatury początkowe” dla efektu chłodzenia Mpemby.

„To w pewnym sensie sugerowało, że wszystkie osobliwości wody i lodu – wszystkie rzeczy, które sprawiły, że oryginalny efekt był tak trudny do zbadania – mogą być w pewnym sensie peryferyjne” – mówi Bechhoefer Physics World.

.