Efekt Mpemby poza swoją niezwykłością, to także dobry przykład tego, że każdy może dokonać nowego odkrycia, zatem pozostaje zakasać rękawy i spróbować to rozgryźć.
Zapraszam do poczytania
ŹródłoRury z ciepłą wodą pękają na mrozie częściej niż biegnące tuż obok rury z zimną wodą. Co jest przyczyną tego zjawiska? Prawo przekory? Złośliwość losu? Nie. To efekt Mpemby, który frustruje fizyków od lat.
Zamarzanie w Afryce
– Kiedy byłem w trzeciej klasie gimnazjum w Magambie, robiłem sobie często lody. Chłopcy w szkole przyrządzają je tak: gotują mleko, słodzą je, mieszają i wstawiają do zamrażalnika lodówki, ochłodziwszy je uprzednio do temperatury pokojowej. Pewnego razu (...), widząc, że przepadnie mi ostatnia tacka do lodu, jeśli będę czekał, aż moja porcja ostygnie, zdecydowałem się zaryzykować zepsucie lodówki i wstawić do niej gorące mleko – wspominał Erasto Mpemba, nastolatek z Tanzanii. Kiedy po półgodzinie Erasto zajrzał do lodówki, jego lody były gotowe, a lody jego kolegów, którzy wstawili schłodzone mleko, były jeszcze półpłynne. – Dlaczego gorące mleko zamarza szybciej niż chłodne? – spytał swego nauczyciela fizyki. Odpowiedź brzmiała: coś ci się najwyraźniej pomyliło.
Mpemba był jednak dociekliwy, pamiętliwy i zacięty, więc kiedy tylko rozpoczął naukę w liceum w Mkwawie, przed problemem, czemu ciepłe mleko zamarza szybciej niż zimne, postawiony został kolejny pedagog. – Jedno ci powiem, Mpemba – usłyszał kłopotliwy uczeń. – To nie jest żadna uniwersalna fizyka. To fizyka Mpemby.
Fizyka Mpemby splotła się z fizyką światową w dniu, kiedy do liceum w Mkwawie zawitał doktor Denis Osborne, profesor z Uniwersytetu Dar es‑Salaam. – Dyrektor liceum zaproponował- mi wygłoszenie dla uczniów pogadanki o związku fizyki z rozwojem kraju – wspominał Osborne. – Mówiłem przez pół godziny, natomiast przez następną odpowiadałem na pytania. Były to (...) poważne pytania dotyczące odległych perspektyw powiązania programu fizyki szkolnej z programem rozwoju kraju oraz pytania wykazujące rozległe oczytanie z problemem kolapsu grawitacyjnego włącznie. Jeden z uczniów wzbudził ogólną wesołość, kiedy zwrócił się do mnie słowami: 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? Osborne bynajmniej nie uwierzył Mpembie, ale był o wiele lepszym pedagogiem niż fizyk z liceum. Uznał, że w żadnym wypadku nie wolno dyskredytować dociekliwości i pierwszych prób badawczych uczniów.
Po powrocie na uniwersytet poprosił jednego z laborantów o przeprowadzenie doświadczenia. – Laborant zameldował, że istotnie woda, która początkowo była gorąca, zamarzła wcześniej, i dodał w przypływie zupełnie nienaukowego entuzjazmu: „Ale będziemy powtarzać doświadczenie tak długo, aż otrzymamy prawidłowy wynik” – relacjonował- ubawiony- Osborne. W 1969 roku Osborne i Mpemba napisali wspólną pracę o swoich obserwacjach, którą opublikowali w czasopiśmie „Physics Education”, a współczesna fizyka rozpoczęła zmagania z próbą wyjaśnienia tego- zdumiewającego- faktu, że ciepła woda może zamarznąć szybciej niż zimna. Faktu, który nosi dziś nazwę „efekt Mpemby”.
Efekt Mpemby został naukowo opisany niecałe pół wieku temu, ale był znany już dużo wcześniej. Krążył po świecie w licznych przesądach. „Nie myj samochodu ciepłą wodą w czasie mrozu, bo popęka karoseria”; „lodowisko powstanie najszybciej, jeśli będziemy je polewać ciepłą wodą z kranu”.
Kartezjusz, pierwszy, który zauważył, że woda ma największą gęstość w temperaturze czterech stopni Celsjusza, zanotował też, że doświadczenia wykazują, iż woda trzymana na ogniu przez czas długi zamarza rychlej niż inna. Jego doświadczenia potwierdzał też Francis Bacon, wzmiankując, że wodę nieco gorętszą łatwiej zamrozić niż całkiem zimną. Bacon zresztą obsesyjnie interesował się zamarzaniem i mrożeniem. Usiłując opracować metodę konserwowania tuszek kurczaków przez obsypywanie ich śniegiem, złapał fatalne przeziębienie, które doprowadziło go do śmierci.
Kiedy powstała współczesna fizyka i teorie termodynamiki, zarówno obserwacje Bacona, jak i Kartezjusza zostały zapomniane jako stojące w zbyt jaskrawej sprzeczności ze zdrowym rozsądkiem i nauką. Czy w ogóle da się zachować zdrowy rozsądek, próbując wyjaśnić efekt Mpemby?
Pięć teorii, wszystkie (raczej) złe?
Pierwsze, bardzo owocne próby uporania się z problemem podjął Pablo Debenedetti z Uniwersytetu w Princeton. Zauważył on, że ciepła woda (czy ciepłe mleko) wstawiona do zamrażalnika będzie parować intensywniej niż zimna. A skoro paruje, to robi się jej mniej, tak że kiedy przychodzi do zamarzania, pozostała resztka upora się z zamarznięciem szybciej niż zimna woda, która nie uciekała ze swojego pojemnika.
To piękne, przekonujące i eleganckie wyjaśnienie. Debenedetti wykonał stosowne rachunki, ale... tajemnica pozostała. Jeśli bowiem cała sztuczka polegała tylko na ubytku ciepłej wody, efekt Mpemby nie powinien się zdarzyć, gdyby zapobiec parowaniu, na przykład przykrywając oba pojemniki szczelną pokrywką.
Tu zaczyna się polski wątek całej historii. Na scenę wkracza zespół fizyków – panowie Wojciechowski, Owczarek i Bednarz. Polacy zaobserwowali efekt Mpemby podczas chłodzenia zamkniętych naczyń, więc nie mogli opierać się na wyjaśnieniu Debenedettiego.
– Podczas gotowania wody uwalnia się sporo rozpuszczonych w wodzie gazów – tłumaczył mi Grzegorz Bednarz, który dziś jest profesorem na Uniwersytecie Thomasa Jeffersona w Filadelfii – a pęcherzyki gazu uwięzione w lodzie tworzą izolację, tak jak powietrze w styropianie. Jeśli woda upstrzona jest pęcherzykami gazu, ciepłu trudniej uciekać, dlatego nieodgazowana woda zamarza wolniej, a taka, którą odgazowywaliśmy przez uprzednie podgrzewanie, szybciej.
Niestety, Polacy nie zadali tajemnicy Mpemby ostatecznego ciosu. Okazało się bowiem, że jeśli wykonać doświadczenie z odgazowaną uprzednio wodą, efekt Mpemby zazwyczaj znika, jednak... nie zawsze.
Trzecia hipoteza zwraca uwagę na to, że dno ciepłego naczynia po wystawieniu na mróz pokrywa się cienką warstewką szronu, która łączy je szczelnie z podstawą i przez usprawnienie odpływu ciepła poprawia efektywność chłodzenia. Błyskotliwe, ważne, ale efekt Mpemby zachodzi również, gdy pojemniki z cieczami ustawia się na izolujących styropianowych podkładkach.
Kolejna teoria koncentrowała się na roli prądów konwekcyjnych w cieczach. W przypadku dużej różnicy temperatur między cieczą a jej powierzchnią ruchy konwekcyjne są gwałtowniejsze. Jednak na ile gwałtowniejsze i jak zależy to od kształtu naczynia – na razie nie udało się ustalić.
Całkiem niedawno pojawił się nowy ślad. Jonathan Katz z Uniwersytetu Waszyngtona w Saint Louis zauważył, że podczas podgrzewania wody wytrącają się z niej dwuwęglany wapnia i magnezu – sole, które stanowią o tym, że odbieramy wodę jako twardą. Wystarczy zajrzeć do czajnika i obejrzeć jego ścianki. Zimna woda, która nie zdążyła zostawić części związków mineralnych na ściankach czajnika, zawiera sporo rozpuszczonych soli, a te działają tak jak sól, którą zimą posypuje się chodniki – obniżają temperaturę zamarzania. Dlatego twardą wodę trzeba porządniej schłodzić, zanim zamieni się ona w lód. Katz jest przekonany, że udało mu się wpaść na trop. „Niektórzy używali do badań twardej, inni miękkiej wody, z tego powodu w podobnych warunkach otrzymywali całkiem inne efekty”.
Sam Katz czeka, aż komuś zechce się zweryfikować doświadczalnie jego teorię, bo nie jest entuzjastą przesiadywania w zimnie. Czy znalezienie wyjaśnienia efektu Mpemby uspokoi zdenerwowanych konserwatorów węzłów ciepłowniczych usuwających kolejną awarię?
Może, jeśli wierzyć, że wiedza przynosi ukojenie...
Użytkownik Ill edytował ten post 23.08.2010 - 22:21
