Ebben a cikkben megvizsgáljuk azt a kérdést, hogy a forró víz miért fagy le gyorsabban, mint a hideg víz.

A fűtött víz sokkal gyorsabban fagy le, mint a hideg! A víz ezt a csodálatos tulajdonságot, amelynek pontos magyarázatát a tudósok eddig nem találták, az ősi idők óta ismert. Például Arisztotelész a téli horgászat leírását is megtalálta: a halászok horgászbotokat illesztettek a jéglyukakba, és hogy gyorsabban fagyhassanak, jéggel meleg vízbe öntik. Ennek a jelenségnek a neve a XX. Század 60-as éveiben Erasto Mpemba volt. Mnemba furcsa hatást észlelt a fagylalt készítésekor, és magyarázatért fordult fizikai tanárához, Dr. Denis Osbourne-hez. Mpemba és Dr. Osbourne kísérleteztek különböző hőmérsékleten lévõ vízzel, és arra a következtetésre jutottak: szinte forrásban lév víz sokkal gyorsabban fagy le, mint szobahőmérsékleten lévõ víz. Más tudósok saját kísérleteket végeztek, és minden alkalommal hasonló eredményeket kaptak.

Fizikai magyarázat

Nincs általánosan elfogadott magyarázat arra, hogy miért történik ez. Sok kutató szerint a folyadék lehűléséről van szó, amely akkor következik be, amikor a hőmérséklete a fagyasztás alá esik. Más szavakkal, ha a víz 0 ° C alatti hőmérsékleten fagy le, akkor a túlhűtött víz hőmérséklete például -2 ° C lehet, és továbbra is folyékony marad, anélkül, hogy jéggé alakulna. Amikor megpróbáljuk fagyasztani a hideg vizet, akkor esély van arra, hogy először lehűl, és csak egy idő után megszilárdul. Melegített vízben más folyamatok is előfordulnak. A jégré történő gyorsabb átalakulása a konvekcióval jár.

konvekció  - Ez egy fizikai jelenség, amelyben a folyadék meleg alsó rétegei felfelé emelkednek, míg a felső, lehűtött és alsó rétegei felállnak.

Helló kedves érdekes tények szerelmesei. Ma rólad fogunk beszélni. De azt hiszem, hogy a címsorba helyezett kérdés egyszerűen abszurdnak tűnhet - de mindig teljes mértékben a hírhedt „józan észre” kell támaszkodnia, nem pedig a szigorúan szigorú tesztelési tapasztalatokra. Próbáljuk kitalálni, hogy a forró víz miért fagy le gyorsabban, mint a hideg?

Történelmi háttér

Azt, hogy a hideg és meleg víz fagyasztása kapcsán még Arisztotelész írásaiban semmi nem tisztán említ, akkor F. Bacon, R. Descartes és J. Black hasonló megjegyzéseket tett. A közelmúltbeli történelemben ezt a hatást "Mpemba paradox" névnek nevezték - Erasto Mpemba Tanganyika iskolás fiú után, aki ugyanazt a kérdést feltette a fizika vendégprofesszorra.

A fiú kérdése nem a semmiből merült fel, hanem pusztán személyes megfigyelések alapján, amelyek a fagylaltkeverékek hűtési folyamatát mutatják a konyhában. Természetesen az ott jelenlévő osztálytársak és az iskolai tanár nevetségessé tették Mpembát - ám D. Osborne professzor személyes ellenőrzése után az a vágyuk, hogy szórakozzanak az Erastoval, „elpárologtak”. Ráadásul Mpemba egy professzorral közösen 1969-ben közzétette a fizikaoktatásban ennek a hatásnak a részletes leírását - és azóta a fent említett nevet rögzítették a tudományos irodalomban.

Mi a jelenség lényege?

A kísérlet felállítása meglehetősen egyszerű: ceteris paribus, ugyanazokat a vékonyfalú edényeket teszteljük, amelyek szigorúan azonos mennyiségű vizet tartalmaznak, csak hőmérsékleten különböznek egymástól. Az edényeket a hűtőszekrénybe töltjük, majd az időt feljegyezzük mindegyikük jégképződéséig. A paradoxon az, hogy egy edényben, ahol az eredetileg forróbb folyadék van, ez gyorsabban történik.

Hogyan magyarázza ezt a modern fizika?

A paradoxonnak nincs egyetemes magyarázata, mivel több párhuzamos folyamat fordul elő együtt, amelyek hozzájárulása eltérhet a konkrét kezdeti feltételektől, de egységes eredménnyel:

• folyékony túlhűtési képesség - a hideg víz kezdetben hajlamosabb a hipotermiára, azaz folyékony marad, ha hőmérséklete már a fagypont alatt van
• gyorsított hűtés - a forró vízből származó gőz jég mikrokristályokká alakul át, amelyek visszaeséskor felgyorsítják a folyamatot, és további "külső hőcserélőként" működnek
• szigetelő hatás - ellentétben a forró, hideg víz felülről lefagy, ami a hőátadás csökkenéséhez vezet a konvekció és a sugárzás hatására

Számos egyéb magyarázat létezik (a Brit Királyi Vegyi Vegyes Egyesület utoljára, 2012-ben, a legjobb hipotézis meghirdetése céljából tartott versenyt) - de még mindig nincs egyértelmű elmélet a bemeneti feltételek kombinációjának minden esetére ...

Mpamba Effect (Mpemba paradox) egy olyan paradoxon, amely szerint a forró víz bizonyos körülmények között gyorsabban fagy le, mint a hideg, bár a fagyasztás során meg kell haladnia a hideg víz hőmérsékletét. Ez a paradoxon egy olyan kísérleti tény, amely ellentmond a hagyományos elképzeléseknek, miszerint ugyanazon feltételek mellett egy melegebb testnek több időre van szüksége ahhoz, hogy lehűljön egy bizonyos hőmérsékletre, mint egy kevésbé fűtött testnek ugyanazon a hőmérsékleten kell lehűlnie.

Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes akkoriban észlelte ezt a jelenséget, de csak 1963-ban az Erasto Mpemba tanzániai iskolás fiú megállapította, hogy a jégkrém forró keveréke gyorsabban fagy le, mint a hideg.

Tanzániában a Magamba Középiskolában hallgatóként Erasto Mpemba gyakorlati munkát végzett a főzés területén. El kellett készítenie házi jégkrémet - forraljon fel tejet, oldjon fel benne cukrot, lehűtse szobahőmérsékletre, majd hűtőszekrénybe tegye fagyasztás céljából. Nyilvánvalóan Mpemba nem volt különösebben buzgó tanuló és habozott, hogy kitöltse a feladat első részét. Félve, hogy a leckék végére nem érkezik meg időben, még meleg tejet helyezett a hűtőszekrénybe. Meglepetésére, hogy még korábban megfagyott, mint a társaiknak az adott technológia szerint elkészített teje.

Ezt követően Mpemba nem csak tejjel, hanem közönséges vízzel is kísérletezett. Mindenesetre, amikor már az Mkvava Gimnázium hallgatója volt, Dennis Osbourne professzort kérdezte a Dar Es Salaam Egyetemi Főiskolától (amelyet az iskola igazgatója fizikai előadást tartott a hallgatóknak) vízről: „Ha két azonos tartályt vesz igénybe azonos mennyiségű vízzel úgy, hogy egyikükben a víz hőmérséklete 35 ° C, a másikban pedig 100 ° C, és tedd a fagyasztóba, akkor a másodikban a víz gyorsabban fagy le. Miért? " Osborne felkeltette érdeklődését e kérdés iránt, és hamarosan, 1969-ben, Mpembával közösen közzétették kísérleteik eredményeit a Physics Education folyóiratban. Azóta a felfedezett hatást nevezik mpemba-hatás.

Eddig senki sem tudja biztosan, hogyan magyarázhatja ezt a furcsa hatást. A tudósoknak nincs egyetlen változata, bár sok ilyen van. A hideg és meleg víz tulajdonságainak különbségeiről szól, de még nem világos, hogy mely tulajdonságok játszanak szerepet ebben az esetben: a különbség a hipotermiában, a párolgásban, a jégképződésben, a konvekcióban vagy a cseppfolyósított gázok vízre gyakorolt \u200b\u200bhatása különböző hőmérsékleteken.

A Mpemba-hatás paradoxona az, hogy az idő, amely alatt a test lehűl a környezeti hőmérsékletre, arányos legyen a test és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel. Ezt a törvényt Newton hozta létre, és azóta több alkalommal megerősítették a gyakorlatban. Ennek hatására a 100 ° C hőmérsékletű víz 0 ° C hőmérsékletre hűl gyorsabban, mint a 35 ° C hőmérsékletű víz azonos mennyisége.

Ennek ellenére ez még nem jelent paradoxont, mivel a Mpemba-hatás a jól ismert fizika keretein belül magyarázható. Íme néhány magyarázat a Mpemba-effektusra:

párolgás

A forró víz gyorsabban elpárolog a tartályból, ezáltal csökkentve annak térfogatát, és egy kisebb, azonos hőmérsékleten lévő víz gyorsabban fagy le. 100 ° C-ra hevített víz 0 ° C-ra hűtve tömegének 16% -át veszíti el.

A párolgás hatása kettős. Először csökken a hűtéshez szükséges víz tömege. Másodszor, a hőmérséklet csökken annak a ténynek köszönhetően, hogy a vízfázisból a gőzfázisba történő átmenet párolgási hője csökken.

Hőmérsékleti különbség

Mivel a meleg víz és a hideg levegő hőmérsékleti különbsége nagyobb - ezért a hőátadás ebben az esetben intenzívebb, és a forró víz gyorsabban lehűl.

túlhűtés

Ha a víz 0 ° C alatt lehűl, akkor nem mindig fagy le. Bizonyos körülmények között szuperhűtésen megy keresztül, és folyékony maradhat a fagyáspont alatti hőmérsékleten. Bizonyos esetekben a víz folyékony maradhat még –20 ° C hőmérsékleten is.

Ennek a hatásnak az az oka, hogy az első jégkristályok kialakulásához kristályképző központokra van szükség. Ha nem folyékony vízben vannak, akkor a szuperhűtés addig folytatódik, amíg a hőmérséklet annyira le nem esik, hogy a kristályok spontán formában kezdenek kialakulni. Amikor egy hűtött folyadékban kezdenek képződni, gyorsabban növekedni kezdenek, jégiszapot képezve, amely fagyáskor jégré válik.

A forró víz különösen érzékeny a túlhűtésre, mivel melegítése kiküszöböli az oldott gázokat és a buborékokat, amelyek viszont jégkristályok képződésének központjai lehetnek.

Miért okozza a túlhűtés a forró víz gyorsabb fagyát? A nem hideg hideg víz esetén a következők fordulnak elő. Ebben az esetben egy vékony jégréteg képződik az edény felületén. Ez a jégréteg szigetelőként működik a víz és a hideg levegő között, és gátolja a további párolgást. A jégkristályok képződési sebessége ebben az esetben kevesebb. A túlhűtés alatt álló forró víz esetében a túlhűtött víznek nincs védőfelszíni jégrétege. Ezért a nyitott tetején sokkal gyorsabban veszít hőt.

Amikor az utóhűtés folyamata befejeződik és a víz lefagy, sokkal több hő veszik el, és ezért több jég képződik.

Ennek a hatásnak sok kutatója úgy véli, hogy a hipotermia a fő tényező az Mpemba-hatás esetében.

konvekció

A hideg víz felülről kezd fagyni, ezáltal rontja a hő sugárzás és a konvekció folyamatát, és ezáltal a hőveszteséget, miközben a forró víz alulról fagyni kezd.

Ezt a hatást a víz sűrűségének rendellenessége magyarázza. A víz maximális sűrűsége 4 ° C-on van. Ha lehűti a vizet 4 ° C-ra és alacsonyabb hőmérsékleten teszi, a felszíni vízréteg gyorsabban fagy le. Mivel ez a víz kevésbé sűrű, mint a 4 ° C-os víz, a felületén marad, vékony hideg réteget képezve. Ilyen körülmények között egy rövid ideig vékony jégréteg képződhet a víz felületén, de ez a jégréteg szigetelőként szolgál majd az alsó vízrétegek védelmére, amelyek 4 ° C hőmérsékleten maradnak. Ezért a további hűtési folyamat lassabb.

Forró víz esetén a helyzet teljesen más. A víz felszíni rétege gyorsabban lehűl a párolgás és a nagyobb hőmérsékleti különbség miatt. Ezenkívül a hideg vízrétegek sűrűbbek, mint a forró vízrétegek, tehát a hidegvízréteg lemerül, és melegvíz-réteget emeli a felszínre. Ez a vízkeringés a hőmérséklet gyors csökkenését eredményezi.

De miért nem érkezik ez a folyamat az egyensúlyi ponthoz? A Mpemba-hatás magyarázata a konvekció ebből a szempontból feltételezhető, hogy a hideg és a meleg vízréteg elválasztódik, és a konvekciós folyamat folytatódik, miután az átlagos vízhőmérséklet 4 ° C alá esik.

Nincs azonban kísérleti bizonyíték ezen hipotézis alátámasztására, miszerint a konvekció során a hideg és a meleg vízréteg elválasztódik.

Vízben oldott gázok

A víz mindig oldott gázokat tartalmaz - oxigént és szén-dioxidot. Ezek a gázok képesek csökkenteni a víz fagyáspontját. A víz melegítésekor ezek a gázok felszabadulnak a vízből, mert alacsonyabb hőmérsékleten kevesebb vízben oldódnak. Ezért a forró víz lehűlésekor mindig kevesebb oldott gáz van benne, mint a fűtetlen hideg vízben. Ezért a felmelegített víz fagypontja magasabb, és gyorsabban fagy le. Ezt a tényezőt néha a fő tényezőnek tekintik az Mpemba-hatás magyarázatában, bár ennek a ténynek a alátámasztására nincs kísérleti bizonyíték.

Hővezető képesség

Ez a mechanizmus jelentős szerepet játszhat, ha a vizet a hűtőszekrény rekeszének fagyasztójába kis edényekbe helyezik. Ilyen körülmények között észrevették, hogy a forró vízzel ellátott tartály megolvadja a mélyhűtő jégét, ezáltal javítva a fagyasztó falának hőérintkezését és a hővezető képességet. Ennek eredményeként a hőt a tartályból forró vízzel távolítják el gyorsabban, mint a hidegtől. A hideg vízzel ellátott tartály viszont nem olvad a hó alatt.

Mindezen (és egyéb) feltételeket számos kísérletben megvizsgálták, de a kérdésre - amely közülük biztosítja a Mpemba-hatás 100% -os reprodukcióját - nem sikerült pontos választ adni.

Például 1995-ben David Auerbach német fizikus tanulmányozta a víz túlhűtésének ezen hatását. Megállapította, hogy a meleg víz, amely túlhűtött állapotba kerül, magasabb hőmérsékleten fagylik le, mint a hideg, és ezért az utóbbinál gyorsabb. A hideg víz azonban a hűtött állapotba gyorsabban érkezik, mint a forró, ezáltal kompenzálva az előző késést.

Ezenkívül Auerbach eredményei ellentmondtak a korábbi megállapításoknak, miszerint a forró víz kevesebb kristályosodási központ miatt nagyobb hipotermiát érhet el. A víz melegítésekor a benne oldódó gázokat eltávolítják, és felforraláskor a benne feloldott sók kicsapódnak.

Eddig csak egy dolgot lehet megerősíteni - ennek a hatásnak a reprodukciója alapvetően függ a kísérlet körülményeitől. Pontosan azért, mert nem mindig reprodukálódik.

Melyik víz gyorsabban fagy le, forró vagy hideg, sok tényező befolyásolja, de maga a kérdés kissé furcsa. Magától értetődik és a fizikából is ismert, hogy a forró víznek még időre van szüksége ahhoz, hogy lehűtse az összehasonlított hideg víz hőmérsékletét, és jéggé alakuljon. Hideg vízben ez a szakasz kihagyható, és ennek megfelelően idővel nyer.

De a válasz arra a kérdésre, hogy melyik víz gyorsabban fagy le - hideg vagy meleg - hideg van kívül, minden északi szélességű lakos tudja. Valójában tudományos szempontból kiderül, hogy a hideg víznek mindenképpen gyorsabban fagynia kell.

Egy fizika tanár, akihez 1963-ban egy Erasto Mpemba iskolás fiú felkereste, megkérte, hogy magyarázza meg, miért fagy le a jövőbeli fagylalt hideg keveréke hosszabb ideig, mint egy hasonló, de forró.

"Ez nem világfizika, hanem valamiféle fizika Mpemba"

Abban az időben a tanár csak nevetett, de Deniss Osbourne, a fizika professzora, aki egyszer ugyanabba az iskolába járt, ahol Erasto tanult, kísérletileg megerősítette egy ilyen hatás létezését, bár akkoriban nem volt magyarázat. 1969-ben egy népszerű tudományos folyóiratban két cikk közzétette egy közös cikket, amely leírta ezt a sajátos hatást.

Azóta egyébként az a kérdés, hogy melyik víz gyorsabban fagy le, forró vagy hideg, megvan a maga neve - a hatás vagy a paradoxon, Mpemba.

A kérdés már régen felmerült

Természetesen egy ilyen jelenség már korábban is megtörtént, és más tudósok munkájában megemlítették. Nem csak a hallgatót érdekli ez a kérdés, hanem Rene Descartes és még Arisztotelész is időben elgondolkodott rajta.

Itt állnak a megközelítés e paradoxon megoldására, csak a huszadik század végén kezdtek kutatni.

A paradoxon kialakulásának feltételei

A fagylalthoz hasonlóan a kísérlet során nemcsak a szokásos víz fagy le. Bizonyos feltételeknek fenn kell állniuk annak eldöntéséhez, hogy melyik víz gyorsabban fagy le - hideg vagy meleg. Mi befolyásolja ennek a folyamatnak a folyamatát?

Most, a 21. században, számos lehetőséget javasoltak, amelyek megmagyarázhatják ezt a paradoxont. Melyik víz gyorsabban fagy le, forró vagy hideg, attól függ, hogy y nagyobb a párolgási sebessége, mint a hidegnek. Így térfogata csökken, és a térfogat csökkenésével a fagyás ideje is rövidebb lesz, mint ha ugyanazt a kezdeti térfogatot vesszük hideg vízben.

A fagyasztót már rég leolvasztotta

Milyen víz gyorsabban fagy le, és miért történik ez, befolyásolhatja a hóbélést, amely a kísérlethez használt hűtőszekrény fagyasztójában fordulhat elő. Ha két, azonos térfogatú tartályt vesz igénybe, de egyikükben forró víz lesz, a másikban hideg, a forró vízzel készített tartály megolvasztja a hó alatt a hót, ezáltal javítva a hőszint érintkezését a hűtőszekrény falával. A hidegvizes tartály ezt nem tudja megtenni. Ha a hűtőszekrényben nincs ilyen hóval borított bélés, akkor a hideg víznek gyorsabban le kell fagynia.

Felső - alsó

Ezenkívül azt a jelenséget, amelynél a víz gyorsabban fagyos, forró vagy hideg, az alábbiakban magyarázzuk. Bizonyos törvények betartása után a hideg víz a felső rétegektől kezd fagyni, amikor a forró víz ellentétesen működik - alulról felfelé kezd fagyni. Sőt, kiderül, hogy a hideg víz, amelynek tetején hideg réteg van, és a helyekben már kialakult jég, rontja a konvekciós és hőkibocsátási folyamatokat, megmagyarázva tehát, melyik víz gyorsabban fagy le - hideg vagy meleg. Az amatőr kísérletekből származó fotó csatolva van, és itt jól látható.

A hő kijön, felfelé hajlamos, és ott találkozik egy nagyon hűtött réteggel. A hősugárzásnak nincs szabad útja, így a hűtési folyamat megnehezedik. A forró víznek nincs ilyen akadálya az útjában. Melyik gyorsabban fagy le - hideg vagy meleg, amelytől a valószínű eredmény függ -, kibővítheti a választ azzal, hogy bármilyen vízben oldódnak bizonyos anyagok.

A víz összetételében szennyeződések, mint az eredményt befolyásoló tényezők

Ha nem csal, és ugyanolyan összetételű vizet használ, ahol bizonyos anyagok koncentrációja megegyezik, akkor a hideg víznek gyorsabban meg kell fagynia. Ha azonban olyan helyzet fordul elő, hogy az oldott kémiai elemek csak forró vízben állnak rendelkezésre, de a hideg víz nem rendelkezik ezekkel, akkor a forró víz korábban lefagyhat. Ez azzal magyarázható, hogy a vízben oldott anyagok kristályosodási centrumokat hoznak létre, és ezeknek a központoknak kis számánál a víz szilárd állapotba történő átalakítása nehéz. A víz túlhűtése is lehetséges abban az értelemben, hogy mínusz hőmérsékleten folyékony állapotban lesz.

De ezek a verziók nyilvánvalóan nem voltak teljesen elégedettek a tudósokkal, és folytatták a munkát ezen a témán. 2013-ban egy szingapúri kutatócsoport azt mondta, hogy képesek megoldani egy százéves rejtvényt.

A kínai tudósok egy csoportja szerint ennek a hatásnak a titka az, hogy az energiamennyiség hidrogénnek nevezett vízmolekulák között tárolódik a kötéseiben.

A kínai tudósok válasza

Ezt követi olyan információ, amelynek megértéséhez szükséges a vegyi ismeretek, hogy megértsük, mi a víz gyorsabban fagyos - forró vagy hideg. Mint ismeretes, két H (hidrogén) atomból és egy O (oxigén) atomból áll, amelyeket kovalens kötések tartanak össze.

De az egyik molekula hidrogénatomjai vonzódnak a szomszédos molekulákhoz, azok oxigénkomponenseikhez is. Ezeket a kötéseket nevezzük hidrogénkötéseknek.

Érdemes megjegyezni, hogy ugyanakkor a vízmolekulák visszatükrözően hatnak egymásra. A tudósok megjegyezték, hogy amikor a vizet melegítik molekulái között, megnő a távolság, és ezt csak a visszatükröző erők segítik elő. Kiderül, hogy hideg állapotban a molekulák közötti azonos távolságot elfoglalva azt mondhatjuk, hogy meg vannak nyújtva és nagyobb energiaellátással rendelkeznek. Ez az energiaellátás akkor szabadul fel, amikor a vízmolekulák közelebb kerülnek egymáshoz, azaz hűtés következik be. Kiderült, hogy nagyobb forrásban van az energiaellátás, és nagyobb felszabadulása a nulla alatti hőmérsékletre történő hűtéskor gyorsabb, mint a hideg vízben, ahol az ilyen energiaellátás kevesebb. Tehát melyik víz gyorsabban fagy le - hideg vagy meleg? Az utcán és a laboratóriumban meg kell fordulni a Mpemba paradoxonnak, és a forró víznek gyorsabban jéggé kell válnia.

De a kérdés még nyitott

Ennek a nyomnak csak elméleti megerősítése van - mindez gyönyörű formulákkal van írva, és hihetőnek tűnik. De ha a kísérleti adatokat, amelyek a víz gyorsabban, melegben vagy hidegen lefagy, gyakorlati értelemben vettük át és eredményeiket ismertetjük, akkor az Mpemba-paradoxon kérdését lezártnak tekinthetjük.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Melyik víz gyorsabban fagy le, mint hideg vagy meleg?"- próbáljon feltenni egy kérdést a barátainak, valószínűleg legtöbben válaszolnak arra, hogy a hideg víz gyorsabban fagy le - és hibát követnek el.

Valójában, ha két azonos formájú és térfogatú edényt teszünk egyszerre a fagyasztóba, az egyikben hideg víz lesz, a másikban forró, akkor a forró víz gyorsabban fagy le.

Egy ilyen állítás abszurdnak és ésszerűtlennek tűnhet. Ha követik a logikát, akkor a forró víznek először a hideg hőmérsékletére kell lehűlnie, és a hidegnek ebben az időben már jéggé kell válnia.

Miért fordul elő a forró víz a hideg vizet a fagyasztás folyamán? Próbáljuk kitalálni.

A megfigyelések és kutatások története

Az emberek az ókor óta észleltek egy paradox hatást, ám senki sem tulajdonított különleges figyelmet ennek. Így az Arrestotle, valamint Rene Descartes és Francis Bacon nyilvántartásukban megjegyezte, hogy nem felelnek meg a hideg és a meleg víz fagyási sebességének. Egy szokatlan jelenség gyakran nyilvánul meg a mindennapi életben.

Régóta a jelenséget semmilyen módon nem vizsgálták, és nem váltottak fel nagy figyelmet a tudósok körében.

A szokatlan hatást 1963-ban kezdték meg, amikor egy tanzániai kíváncsi hallgató, Erasto Mpemba észrevette, hogy a jégkrém forró teje gyorsabban fagy, mint a hideg. Remélve, hogy magyarázatot kap a szokatlan hatás okaira, a fiatalember kérdést intézett az iskola fizikai tanárához. A tanár azonban csak nevetett.

Később Mpemba megismételte a kísérletet, de kísérletében nem tejet használt, hanem a vizet és a paradox hatást megismételte.

Hat év után - 1969-ben - Mpemba feltette ezt a kérdést Dennis Osbourne fizika professzorra, aki megérkezett az iskolába. A professzorok érdeklődtek a fiatalember megfigyelése iránt, ennek eredményeként egy kísérletet hajtottak végre, amely megerősítette a hatás jelenlétét, de ennek a jelenségnek az oka nem volt megállapítva.

Azóta a jelenséget hívják mpemba-hatás.

A tudományos megfigyelések teljes története során számos hipotézist fogalmaztak meg a jelenség okairól.

Tehát 2012-ben a Brit Királyi Kémiai Társaság kihirdette a Mpemba-hatást magyarázó hipotézisek versenyét. A versenyen a világ minden tájáról tudósok vettek részt, összesen 22 000 tudományos munkát regisztráltak. Az ilyen lenyűgöző számú cikk ellenére egyikük sem tisztázta a Mpemba-paradoxont.

A leggyakoribb változat szerint a forró víz gyorsabban fagyott le, mivel egyszerűen gyorsabban elpárolog, térfogata kisebb lesz, és a térfogat csökkenésével hűtési sebessége növekszik. A leggyakoribb változatot végül megdöntötték, mivel egy kísérletet hajtottak végre, amelyben kizárták a párolgást, és a hatást mindazonáltal megerősítették.

Más tudósok úgy vélték, hogy az Mpemba-hatás oka a vízben oldott gázok párolgása. Véleményük szerint a melegítés során a vízben feloldott gázok elpárolognak, amelynek eredményeként nagyobb sűrűségű, mint a hideg. Mint tudod, a sűrűség növekedése a víz fizikai tulajdonságainak megváltozásához (a hővezetőképesség növekedéséhez) vezet, és ezáltal a hűtési sebesség növekedéséhez.

Ezenkívül számos hipotézist fogalmaztak meg, amelyek leírják a vízkeringés sebességét, a hőmérséklettől függően. Számos tanulmány megkísérelte megállapítani a tartályok anyaga közötti kapcsolatot, amelyben a folyadék található. Számos elmélet nagyon valószínűnek tűnt, ám tudományos szempontból nem lehetett megerősíteni a kezdeti adatok hiánya és más kísérletekben ellentmondások miatt, vagy azért, mert az azonosított tényezők egyszerűen nem voltak összehasonlíthatók a víz hűtési sebességével. Egyes tudósok munkájukban megkérdőjelezték a hatás létezését.

2013-ban a szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatói azt állították, hogy megoldják a Mpemba-effektus rejtélyét. Tanulmányaik szerint a jelenség oka abban rejlik, hogy a hideg és a meleg víz molekulái között a hidrogénkötésekben tárolt energia mennyisége jelentősen különbözik.

A számítógépes szimulációs módszerek a következő eredményeket mutatták: minél magasabb a víz hőmérséklete, annál nagyobb a távolság a molekulák között, mert a taszító erők növekednek. Következésképpen a molekulák hidrogénkötései meghosszabbodnak, és több energiát tárolnak. Lehűlés után a molekulák elkezdenek megközelíteni egymást, felszabadítva az energiát a hidrogénkötésekből. Ebben az esetben az energia visszatérését a hőmérséklet csökkenése kíséri.

2017 októberében a spanyol fizikusok egy másik tanulmány során megállapították, hogy az anyag eltávolítása az egyensúlyból (erős hevítés erős hűtés előtt) játszik fontos szerepet a hatás kialakulásában. Meghatározták azokat a feltételeket, amelyek mellett a hatás megnyilvánulásának valószínűsége maximális. Ezen felül a spanyol tudósok megerősítették az Mpemba inverz hatásának fennállását. Megállapították, hogy hevítéskor egy hidegebb minta gyorsabban érheti el a magas hőmérsékletet, mint egy meleg.

Az átfogó információk és számos kísérlet ellenére a tudósok folytatni kívánják a hatás vizsgálatát.

Mpemba-hatás a valós életben

Gondolkozott már azon azon, hogy télen miért van a jégpálya meleg vízzel, és nem hideg? Mint már tudtad, ezt teszik, mert a forró vízzel feltöltött jégpálya gyorsabban fagy le, mintha hideg lenne. Ugyanezen okból a téli jégvárosok diáit forró vízzel öntik.

Így a jelenség megismerése lehetővé teszi az emberek számára, hogy időt takarítsanak meg a téli sportok előkészítéséhez szükséges helyeknél.

Ezen túlmenően az Mpemba-effektust gyakran használják az iparban - a víztartalmú termékek, anyagok és anyagok fagyasztási idejének csökkentésére.