Mpemba Etkisi Nedir? Sıcak Su, Soğuk Sudan Neden Daha Hızlı Donar?

İki bardağı önünüze alıp, ikisine de su doldurup, birini 60 dereceye, diğerini ise 30 dereceye kadar ısıtın. Sonrasında ikisini de aynı anda buz dolabına koyun. Bu basit deney sonucunda, şaşırtıcı bir gerçekle karşılaşırsınız: iki farklı sıcaklıktaki sulardan ilk donmaya başlayan, donma sıcaklığı olan 0 dereceye çok daha yakın olan 30 derecelik su değildir! 60 derecelik su, 30 dereceye göre daha hızlı donar!

Bu olgu, bunu ilk defa 1963 yılında keşfeden Tanzanyalı öğrencinin şerefine "Mpemba Etkisi" olarak isimlendirilmiştir. Mpemba, bu etkiyi daha sıcak dondurmaları, soğuklarla karıştırırken keşfetmiştir. Ancak etkinin ilk defa gözlendiği zamanlara dair verilere MÖ 4. Yüzyıl'da Aristo ile rastlamaktayız. Daha sonrasında aynı etki Francis Bacon ve René Descartes tarafından da tespit edilmiştir. Mpemba ise, bu keşfi ilk defa 1969 yılında bilimsel makaleye döken kişi olarak anılmaktadır.

İlk etapta, sırf bu olguyu "açıklamış olmak adına" aklınıza gelebilecek yanıt, "sıcak suyun soğuk suya nazaran ısıyı etrafına daha hızlı saçacağı, bu nedenle daha hızla soğuyup donma noktasına erişeceği" gibi bir cevap olabilir. Ancak yanılıyorsunuz. Çünkü normalde en iyi ihtimalle olması gereken, sıcak suyun soğuk suyu donma noktasına ulaşana kadar yakalamasıdır. Bunun ötesine geçerek, sıcağın daha önce donmaya başlamasını beklemeyiz. Yani cevap, sandığınız kadar basit değil ve teorik olarak binlerce yıldır, pratik olarak son birkaç on yıldır fizikçilerin üzerinde uğraştığı konulardan birisi...

Mpemba etkisiyle ilgili teoriler çok çeşitlidir: Sıcak suyun daha hızlı buharlaşmasından ötürü donacak hacmi azaltmak bu teorilerden birisidir. Bir diğeri, soğuk suyun üzerinde oluşan don tabakasından ötürü oluşan izolasyona dayanarak bu etkiyi açıklamaktadır. Bir diğeri ise karbondioksit gibi çeşitli çözünenlerin farklı yoğunluklarının, ısıtma sırasında farklı şekillerde etkilenmesiyle bu olguyu açıklamaya çalışır. Ancak ne yazık ki bu etki her zaman gözlenememektedir. Hatta sıklıkla, tam da beklendiği gibi, soğuk su sıcak sudan daha hızlı donmaktadır. Ancak Mpemba etkisi de dikkate değer bir sıklıkla karşımıza çıkan bir olgudur. Fakat bugüne kadar bu olguya hiçbir net açıklama getirilememişti.

Singapur'da bulunan Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden Xi Zhang tarafından yönetilen bir fizik takımı 2014 yılında, Mpemba etkisini açıklayan ana unsurun, suyu bir arada tutan kimyasal kuvvetler olduğunu gösterdi. Her su molekülü 1 oksijen atomuna kovalent bağ denen özel bir kimyasal bağ türüyle bağlı 2 hidrojen atomundan oluşur. Bu bağ nedeniyle atomlar elektronlarını paylaşırlar ve bu bağın dinamikleri günümüzde net olarak bilinmektedir. Birbirinden ayrı su molekülleri ise hidrojen bağları adı verilen daha zayıf bağlarla birbirlerine bağlanırlar. Bu bağ nedeniyle görülen kuvvetler, bir hidrojen atomu ile bir oksijen atomu birbirine yakın mesafedeyken oluşur.

Araştırma ekibi bu bağların Mpemba etkisine neden olduğunu ileri sürmektedir. Su molekülleri birbirleriyle yakın temasa geçtiklerinde, moleküller arasındaki doğal itim kuvveti kovalent bağların gerilerek enerji depolamasına neden olmaktadır. Sıvı haldeki su ısıtıldığında, suyun yoğunluğunun azalması ve moleküllerin birbirinden uzaklaşmasından ötürü bu hidrojen bağları esnerler.

Bu esneme, kovalent bağların gevşeyerek rahatlamasını sağlar. Bu nedenle kovalent bağlar kısalırlar. Buna bağlı olarak da biriktirdikleri enerjiyi salarlar. Kovalent bağların biriktirdikleri bu enerjiyi salması, teknik olarak "soğuma" ile aynı fiziksel olaydır. Dolayısıyla daha sıcak olan su, kendi içinden kaybettiği enerji dolayısıyla daha da hızlı soğur. Hatta öyle ki, bağların biriktirdiği enerjiye bağlı olarak kimi zaman daha soğuk olan suyun donma noktasına erişme hızından daha da hızlı soğur. İşte bu durumda, Mpemba etkisi gözlenmiş olur. Gerçekten de takımın matematiksel analizleri, Mpemba etkisinin her zaman oluşmamasının nedeninin kimyasal bağlarda biriken enerji miktarıyla ilişkili olduğunu göstermektedir.