Czy gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? Efekt Mpemby

Czasami tak – ale nie zawsze i nie wiadomo dokładnie dlaczego. Zjawisko, w którym bardzo ciepła ciecz zamarza szybciej niż chłodniejsza w tych samych warunkach, nazywa się efektem Mpemby. W wodzie nie udaje się go wywołać w każdym doświadczeniu, a fizycy do dziś nie są zgodni nawet co do jego ścisłej definicji.

Uczeń, który zadał niewygodne pytanie

Efekt nosi nazwisko Erasta Mpemby, ucznia szkoły średniej w Tanganice (dzisiejszej Tanzanii). W 1963 roku na lekcji gotowania robił lody i zauważył, że gorąca mieszanka włożona do zamrażarki zamarzła wcześniej niż zimna.

Kilka lat później do jego kolejnej szkoły przyjechał z wykładem fizyk Denis Osborne z uczelni w Dar es Salaam. Po wykładzie Mpemba zapytał go: jeśli wstawi się do zamrażarki dwa takie same naczynia z jednakową ilością wody, jedno o temperaturze 35°C, a drugie 100°C, to dlaczego to gorętsze zamarza pierwsze?

Osborne w pierwszej chwili uznał, że uczeń się myli. Pytanie nie dawało mu jednak spokoju, więc po powrocie do pracy sprawdził to doświadczalnie – i ku własnemu rozbawieniu potwierdził obserwację. W 1969 roku obaj opublikowali wspólnie wyniki.

W ich doświadczeniu próbki 70 ml wody w zlewkach trafiały do zamrażalnika domowej lodówki. Najdłużej na początek zamarzania trzeba było czekać, gdy woda miała na starcie 25°C, a wyraźnie krócej, gdy miała około 90°C.

Zjawisko znane od starożytności

Mpemba nie był pierwszy. Już Arystoteles pisał, że woda wcześniej ogrzana szybciej zamarza i że ludzie, chcąc szybko schłodzić wodę, najpierw wystawiają ją na słońce. Podobne uwagi zostawili Francis Bacon i Kartezjusz. W 1775 roku szkocki uczony Joseph Black porównywał wodę przegotowaną z nieprzegotowaną i stwierdził, że przegotowana zamarza szybciej.

Dlaczego fizycy wciąż się spierają?

Problem zaczyna się już od pytania, co to znaczy „zamarza szybciej”. Czy liczy się chwila, gdy na powierzchni pojawia się pierwszy lód, czy moment, gdy zamarznie cała objętość? Różne zespoły przyjmują różne definicje, przez co trudno porównywać ich wyniki. Część eksperymentów z wodą w ogóle nie wykazała powtarzalnego efektu.

Proponowanych wyjaśnień jest wiele. Wskazywano m.in., że cieplejsze naczynie może roztopić szron na półce zamrażarki i dzięki temu lepiej oddawać ciepło, a także że znaczenie mają zmiany w wiązaniach wodorowych między cząsteczkami wody podczas jej przechłodzenia. Mpemba i Osborne wykluczyli w swoim doświadczeniu dwa najprostsze podejrzenia: ubytek wody przez parowanie oraz wpływ rozpuszczonego w niej powietrza.

Uczciwa odpowiedź na tytułowe pytanie brzmi więc: bywa, że tak – ale nie należy traktować tego jak reguły.