Fizica motivului pentru care apa caldă îngheață uneori mai repede decât apa rece

Povestea spune că, în 1963, Erasto Mpemba, elev de liceu din Tanzania, făcea înghețată cu clasa sa, când a pus nerăbdător amestecul de zahăr și lapte în mașina de bătut înghețată când era încă fierbinte, în loc să îl lase să se răcească mai întâi. Spre surprinderea sa, dulceața s-a răcit mai repede decât cea a colegilor săi.

Cu ajutorul unui profesor de fizică, Mpemba a efectuat experimente suplimentare punând două pahare de apă, unul abia fiert și unul cald, într-un congelator și văzând care dintre ele a ajuns primul la linia de sosire a înghețului. Adesea, apa cu o temperatură inițială mai ridicată era prima care îngheța. Observațiile lor au declanșat o discuție care a durat zeci de ani cu privire la existența și detaliile fenomenului contraintuitiv, numit acum efectul Mpemba.

Acum, noile cercetări publicate pe 5 august în revista Nature nu numai că arată că efectul Mpemba există, dar, de asemenea, aruncă lumină asupra modului în care se produce, relatează Emily Conover pentru Science News.

În loc să experimenteze pe apă înghețată, care este surprinzător de complicat de studiat, fizicienii Avinash Kumar și John Bechhofer de la Universitatea Simon Fraser și-au concentrat privirile – și laserele – pe mărgele de sticlă microscopice. Ei au măsurat modul în care bilele de sticlă se mișcau în condiții foarte specifice în apă și au văzut că, în anumite circumstanțe, bilele care au pornit foarte fierbinți s-au răcit mai repede decât cele care nu au făcut-o.

„Este unul dintre aceste setări foarte simple și este deja suficient de bogat pentru a arăta acest efect.” a declarat pentru Science News Marija Vucelja, fizician teoretician teoretician la Universitatea din Virginia. Experimentul sugerează, de asemenea, că efectul ar putea apărea și în alte materiale decât apa și bilele de sticlă. Vucelja spune: „Mi-aș imagina că acest efect apare destul de generic în natură în altă parte, doar că noi nu i-am acordat atenție.”

Dacă punctul de îngheț este linia de sosire, atunci temperatura inițială este ca și punctul de plecare. Așa că ar avea sens dacă o temperatură inițială mai scăzută, cu o distanță mai mică până la linia de sosire, este întotdeauna prima care o atinge. În cazul efectului Mpemba, uneori apa mai fierbinte ajunge prima la linia de sosire.

Dar lucrurile se complică și mai mult. În primul rând, apa are de obicei și alte lucruri, cum ar fi minerale, amestecate în ea. Iar fizicienii nu au fost de acord cu privire la ce anume este linia de sosire: este momentul în care apa dintr-un recipient atinge temperatura de îngheț, începe să se solidifice sau se solidifică complet? Aceste detalii fac ca fenomenul să fie greu de studiat în mod direct, scrie Anna Demming pentru Physics World.

Noul experiment elimină detaliile care fac ca efectul Mpemba să fie atât de tulbure. În fiecare test, ei au aruncat o perlă de sticlă microscopică într-o mică fântână cu apă. Acolo, au folosit un laser pentru a exercita forțe controlate asupra bilei și au măsurat temperatura bilei, conform Science News. Ei au repetat testul de peste 1.000 de ori, lăsând să cadă mărgelele în diferite puțuri și pornind de la diferite temperaturi.

La anumite forțe exercitate de laser, mărgelele cele mai fierbinți s-au răcit mai repede decât mărgelele cu temperaturi mai scăzute. Cercetarea sugerează că drumul mai lung de la o temperatură mai ridicată până la punctul de îngheț ar putea crea scurtături, astfel încât temperatura mărgelelor fierbinți să ajungă la linia de sosire înaintea mărgelelor mai reci.

Bechhoefer descrie sistemul experimental ca fiind o modalitate „abstractă” și „aproape geometrică” de a imagina efectul Mpemba pentru Physics World. Dar, folosind sistemul, el și Kumar au identificat „temperaturile inițiale” optime pentru un efect de răcire Mpemba.

„A sugerat într-un fel că toate particularitățile apei și ale gheții – toate lucrurile care au făcut ca efectul original să fie atât de greu de studiat – ar putea fi într-un fel periferice”, spune Bechhoefer pentru Physics World.

.