Mpembov jav

V 60. rokoch minulého storočia bol v časopise Physics Education publikovaný článok istého tanzánijského študenta Erasta Mpemba a jeho učiteľa, v ktorom obaja tvrdili, že horúca voda mrzne skôr ako studená. Článok okrem diskusií odštartoval aj mnoho nových experimentov, ktoré mali overiť túto, na prvý pohľad termodynamickú absurditu.

Mpemba bol obyčajný africký študent strednej školy, na ktorej si poniektorí študenti zvykli vo voľnom čase vyrábať zmrzlinu. Recept bol jednoduchý: nechať prevariť mlieko, vmiešať doňho cukor a po vychladnutí vložiť do mrazničky. Mrazničiek však bolo v tom čase v Tanzánii ako šafranu a študentov s chuťou na zmrzlinu ako maku. Preto bolo treba konať rýchlo, alebo byť trpezlivý a čakať v rade, kým sa v mrazničke uvoľní miesto.

Jedného dňa, keď si Mpemba pripravoval zmrzlinu obvyklým spôsobom, iný chlapec sa v rámci boja o získanie voľného miesta v mrazničke rozhodol vypustiť z procesu prípravy zmrzliny časť varenia mlieka, a teda aj dlhého čakania na jeho schladnutie. Keď tento študent vložil do mrazničky studené mlieko s cukrom, Mpemba si uvedomil, že ďalším čakaním na schladenie zmesi môže prísť o posledné voľné miesto v mrazničke, a tak sa rozhodol vložiť do mrazničky ešte horúcu zmrzlinovú zmes (napriek tomu, že takýto postup sa neodporúčal, keďže pri ňom mohlo dôjsť k poškodeniu už i tak vzácnej mrazničky). 

Akým prekvapením bolo, keď sa Mpemba asi po poldruhahodinovom čakaní vrátil a zistil, že z jeho zmesi už zmrzlina je, zatiaľ čo zmes jeho rivala ostala len kalnou nezamrznutou tekutinou. Mpemba sa opýtal na príčiny tohto úkazu svojho učiteľa fyziky, ten mu však povedal, že sa musel zmýliť a že taký jav nastať nemohol.

Neskôr sa však Erasto dozvedel, že schladzovanie horúceho mlieka je rozšírené aj medzi zmrzlinármi, ktorí takto pripravujú rýchlejšie svoj artikel. Pokusy s chladením kvapalín rôznych počiatočných teplôt preto začal opakovať. Zistil, že rýchlejšie mrzne nielen horúca zmrzlinová zmes, ale aj obyčajná horúca voda oproti chladnejšej vode. Nedôvera zo strany jeho učiteľa pokračovala, ale Mpemba už vedel svoje. Čakal len na vhodnú príležitosť a odborníka, ktorý overí jeho objav. Tým sa nakoniec stal Dr. Osborne, univerzitný učiteľ fyziky, ktorý Mpembovo tvrdenie neodmietol a rozhodol sa ho preskúmať. Rýchlejšie mrznutie teplejšej vody sa potvrdilo.

Dnes nesie uvedené paradoxné mrznutie vody meno po Mpembovi, ale tento jav sa objavuje v ľudskom poznaní už oveľa skôr. Jedným z prvých je Aristotelov záznam. Ten opisuje ľudí, ktorí pre zrýchlenie chladenia nechávajú vodu pred chladiacim procesom zohriať na slnku. Podáva správu aj o rybároch, ktorí počas zimy rýchlejšie mrznúcou horúcou vodou polievajú svoje udice, ktoré týmto spôsobom fixujú do dier v ľade. Rýchlejšie mrznutie teplejšej vody zachytávajú aj ďalší učenci, akými boli Roger Bacon, René Descartes či Francis Bacon. V 18. storočí sa v Indii spôsob zahriatia a následného chladenia pravidelne využíval pri výrobe ľadu, mrazených krémov a nápojov. S nástupom modernejších teórií o prenose tepla však minulé pozorovania ustúpili do úzadia. 

Napriek viac ako dvetisícročnej histórii neexistuje nijaké všeobecne prijaté objasnenie Mpembovho javu. Od vydania Mpembovho článku vyšli desiatky prác, ktoré tento jav vysvetľovali a vysvetlenia zdôvodňovali výsledkami svojich experimentov. Problém bol len v tom, že rôzni autori považovali za príčinu Mpembovho javu úplne rôzne veci. Za posledných štyridsať rokov sa sformovala celá mozaika interpretácií, v ktorej sa každý jej kamienok tváril ako jediný pravý. 

Ako je niečo také možné? Dôvodom môže byť fakt, že každý z pozorovateľov sledoval jav v iných podmienkach. V zdanlivo jednoduchom experimente chladenia teplejšej a chladnejšej vody existuje široké spektrum faktorov preukázateľne ovplyvňujúcich pokles teploty vody v čase. Sú to napríklad vlastnosti jednak kvapaliny a jednak nádoby, v ktorej je umiestnená, alebo vlastnosti chladiaceho prostredia a iné faktory. Príčina vzniku javu môže byť preto v rôznych prípadoch rôzna. Navyše jav nie je úplne „zákonitý“ a nenastáva vždy. 

Snaha nájsť jedno spoločné vysvetlenie uplatniteľné pre všetky prípady je asi márna. Treba zrejme ustúpiť od pátrania po jedinom pravom kamienku a príčinu vyberať z celého výkladu výkladov. Tu je niekoľko častí interpretačnej mozaiky.

Vyparovanie. Teplejšia voda sa vyparuje viac ako studená. Počas toho intenzívnejšie zmenšuje svoj objem. Keďže čas potrebný na tuhnutie je priamo úmerný množstvu vody, dá sa týmto jav poľahky vysvetliť. Vyparovanie ako príčina javu je dobre aplikovateľné v prípadoch, keď majú kvapaliny veľký povrch hladiny. Mpembov jav bol však pozorovaný aj v uzavretých nádobách, kde k vyparovaniu nedochádzalo, a vtedy je toto vysvetlenie nepoužiteľné.

Chemické zloženie. Pri zahriatí vody sa mení nielen jej teplota, ale aj množstvo rozpustených plynov a pevných látok obsiahnutých vo vode. Zohriatím vody dochádza k vypudeniu plynov a zmene koncentrácie rozpustených látok. Menšie množstvá plynov a pevných látok v teplejšej vode môžu spôsobiť lepšiu tepelnú vodivosť, intenzívnejšie prúdenie vody a môžu dokonca vyvolať posun teploty tuhnutia vody. 

Podchladenie. Teplota tuhnutia býva často pre vodu pri normálnom tlaku stotožňovaná s teplotou 0 ˚C. Proces mrznutia však zvyčajne začína až pri nižšej teplote. Voda môže zotrvávať v kvapalnom stave niekedy aj pri oveľa nižších teplotách a takúto vodu voláme podchladená voda. Jedným z vysvetlení Mpembovho javu je, že pôvodne teplejšia voda sa nepodchladzuje až tak, ako pôvodne chladnejšia voda. To posúva v bežeckých pretekoch teplejšej a chladnejšej vody cieľovú rovinku pôvodne chladnejšej vody ďalej. Ak sa trať chladnejšej vody dostatočne predĺži, aj napriek náskoku môže dobehnúť do cieľa ako druhá. Podchladenie môže byť dôsledkom zmien chemického zloženia, ale aj štruktúry samotných molekúl vody, ktorá je ďalším kamienkom z mozaiky.

Mikroštruktúra vody. Molekuly vody nie sú úplné samotárky a rady sa medzi sebou spájajú. Vytvárajú pritom zložitejšie štruktúry nazývané klastre. Pri formovaní ľadu dochádza k preusporiadaniu molekúl vody do určitých charakteristických polôh. Zložité klastre nie sú na budovanie ľadu najvhodnejšou konštrukčnou stavebnou jednotkou. Podobne ako je ľahšie postaviť domček z lega určitého tvaru zo samostatných kociek, a nie z nevhodne pozliepaných kusov skladačky, tak i ľad sa ľahšie sformuje zo samostatných molekúl vody. Ako rozložiť zlepence na jednoduché molekuly? Stačí vodu dostatočne zohriať. Klastre sa rozbijú a vzniknú jednoduchšie tehličky, lepšie použiteľné na výstavbu nášho ľadového domčeka.

Prúdenie. V teplejšej vode je výraznejšie prúdenie. Voda sa premiešava viac a teplo sa z nej prenáša k stenám nádoby rýchlejšie. Pre teplejšiu vodu to bude znamenať rýchlejšie ochladzovanie a možné predbehnutie náskoku chladnejšej vody.

Kontakt s chladičom. Ak sú nádoby chladené v mrazničke s námrazou, nádoba s teplejšou vodou môže ľadový podklad pod sebou roztopiť. Ľad nie je dobrým vodičom tepla. Ak ho pod teplejšou nádobou ubudne viac, nádoba sa ocitne bližšie ku chladiacim častiam mraziaceho priestoru. Teplo bude potom odvádzané rýchlejšie. Samotný Mpemba považoval túto interpretáciu za najpravdepodobnejšiu pre svoje prvé pozorovanie javu.

Tak čo, je tá voda celkom obyčajná, alebo nás ešte stále dokáže niečím prekvapiť?

Autor je študent