Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, je ovplyvnená mnohými faktormi, ale samotná otázka sa zdá byť trochu zvláštna. Predpokladá sa, a je to známe z fyziky, že horúca voda ešte potrebuje čas na ochladenie na teplotu porovnateľnej studenej vody, aby sa zmenila na ľad. So studenou vodou možno túto fázu preskočiť, a preto vyhráva včas.
Ale odpoveď na otázku, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca - na ulici v mraze, pozná každý obyvateľ severných zemepisných šírok. V skutočnosti sa vedecky ukazuje, že v každom prípade studená voda jednoducho musí rýchlejšie zamrznúť.
Takisto aj učiteľ fyziky, ktorého v roku 1963 oslovil školák Erasto Mpemba so žiadosťou vysvetliť, prečo studená zmes budúcej zmrzliny mrzne dlhšie ako tá istá, ale horúca.
Toto nie je svetová fyzika, ale nejaký druh fyziky Mpemba
Učiteľ sa tomu vtedy iba smial, ale Deniss Osborn, profesor fyziky, ktorý svojho času chodil na rovnakú školu, kde študoval Erasto, existenciu takéhoto efektu experimentálne potvrdil, hoci tak to nema vysvetlenie. V roku 1969 publikoval populárny vedecký časopis spoločný článok dvoch mužov, ktorí opísali tento zvláštny efekt.
Odvtedy, mimochodom, otázka, ktorá voda zamŕza rýchlejšie - horúca alebo studená, má svoj vlastný názov - efekt, alebo paradox, Mpemba.
Otázka vznikla už dávno
Prirodzene, takýto jav sa už vyskytol a spomínali ho aj v prácach iných vedcov. Táto otázka sa zaujímala nielen školáka, ale svojho času sa nad ňou zamyslel aj Francis Bacon, René Descartes a dokonca aj Aristoteles.
Práve tieto prístupy k riešeniu tohto paradoxu sa začali hľadať až na konci dvadsiateho storočia.
Podmienky vzniku paradoxu
Rovnako ako pri zmrzline, pri experimente nezamrzne len obyčajná voda. Aby sa mohli začať hádať, ktorá voda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca, musia byť prítomné určité podmienky. Čo ovplyvňuje tento proces?
Teraz, v 21. storočí, bolo predložených niekoľko možností, ktoré môžu vysvetliťtento paradox. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, môže závisieť od skutočnosti, že horúca voda má vyššiu rýchlosť odparovania ako studená voda. Jej objem sa teda zmenšuje a so zmenšovaním objemu sa čas mrazenia skracuje, ako keby ste nabrali podobný počiatočný objem studenej vody.
Mraznička bola dlho odmrazená
Ktorá voda mrzne rýchlejšie a prečo to tak je, môže byť ovplyvnené snehovou výstelkou, ktorá môže byť v mrazničke chladničky použitej na experiment. Ak vezmete dve nádoby, ktoré sú objemovo rovnaké, ale jedna z nich bude mať horúcu vodu a druhá studenú, nádoba s horúcou vodou roztopí sneh pod sebou, čím sa zlepší kontakt tepelnej hladiny so stenou chladničky. Nádoba na studenú vodu to nedokáže. Ak v chladiacom priestore takéto obloženie snehom nie je, studená voda by mala zamrznúť rýchlejšie.
Hore – dole
Jav, ktorého voda rýchlejšie zamŕza – horúca alebo studená, je vysvetlený nasledovne. Pri dodržaní určitých zákonitostí začne studená voda zamŕzať z horných vrstiev, kým horúca to urobí naopak – začne zamŕzať zdola nahor. Ukazuje sa, že studená voda, ktorá má na vrchu studenú vrstvu s už vytvoreným ľadom na niektorých miestach, tak zhoršuje procesy konvekcie a tepelného žiarenia, čím vysvetľuje, ktorá voda mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca. Fotky od amatéraexperimenty sú pripojené a je to tu jasne viditeľné.
Teplo vychádza, smeruje nahor, a tam sa stretáva s veľmi vychladenou vrstvou. Neexistuje žiadna voľná cesta pre tepelné vyžarovanie, takže proces chladenia sa stáva ťažkým. Horúca voda nemá na svojej ceste absolútne žiadne takéto bariéry. Ktorá mrzne rýchlejšie – studená alebo horúca, od čoho závisí pravdepodobný výsledok, odpoveď môžete rozšíriť tým, že každá voda má v sebe rozpustené určité látky.
Nečistoty v zložení vody ako faktor ovplyvňujúci výsledok
Ak nepodvádzate a používate vodu s rovnakým zložením, kde sú koncentrácie určitých látok identické, tak by studená voda mala zamrznúť rýchlejšie. Ak však nastane situácia, keď rozpustené chemické prvky sú prítomné iba v horúcej vode, zatiaľ čo studená voda ich nemá, horúca voda má možnosť skôr zamrznúť. Vysvetľuje sa to tým, že rozpustené látky vo vode vytvárajú kryštalizačné centrá a pri malom počte týchto centier je premena vody do tuhého skupenstva náročná. Dokonca je možné aj podchladenie vody v tom zmysle, že pri mínusových teplotách bude v kvapalnom stave.
Všetky tieto verzie však vedcom zjavne úplne nevyhovovali a pokračovali v práci na tejto otázke. V roku 2013 tím výskumníkov v Singapure povedal, že vyriešili starú záhadu.
Skupina čínskych vedcov tvrdí, že tajomstvo tohto efektu spočíva v množstve energie uloženej medzi molekulami vody v jej väzbách, nazývaných vodíkové väzby.
Návod od čínskych vedcov
Nasledujú nasledujúce informácie, na pochopenie ktorých musíte mať určité znalosti z chémie, aby ste zistili, ktorá voda zamŕza rýchlejšie – horúca alebo studená. Ako viete, molekula vody pozostáva z dvoch atómov H (vodíka) a jedného atómu O (kyslíka), ktoré sú spojené kovalentnými väzbami.
Atómy vodíka jednej molekuly sú však priťahované aj susednými molekulami, ich kyslíkovou zložkou. Práve tieto väzby sa nazývajú vodíkové väzby.
Je potrebné pripomenúť, že molekuly vody na seba zároveň pôsobia odpudivo. Vedci poznamenali, že keď sa voda zahrieva, vzdialenosť medzi jej molekulami sa zväčšuje, čo je uľahčené odpudivými silami. Ukazuje sa, že vodíkové väzby, ktoré zaberajú jednu vzdialenosť medzi molekulami v studenom stave, možno povedať, že sú natiahnuté a majú väčšiu zásobu energie. Práve táto energetická rezerva sa uvoľňuje, keď sa molekuly vody začnú k sebe približovať, to znamená, že dochádza k ochladzovaniu. Ukazuje sa, že väčší prísun energie v horúcej vode a jej väčšie uvoľnenie pri ochladzovaní na mínusové teploty prebieha rýchlejšie ako v studenej vode, ktorá takýto prísun má.menej energie. Ktorá voda teda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca? Mpembov paradox by sa mal odohrávať vonku a v laboratóriu a horúca voda by sa mala rýchlejšie meniť na ľad.
Ale stále otvorené
Táto stopa je len teoreticky potvrdená – všetko je napísané v krásnych vzorcoch a zdá sa byť pravdepodobné. Ale keď sa experimentálne údaje, ktoré voda rýchlejšie zamŕza - horúca alebo studená, dajú do praktického významu a ich výsledky budú prezentované, potom bude možné považovať otázku Mpembovho paradoxu za uzavretú.
