Mpemba Etkisi

Yüzyıllardır, Descartes ve Aristoteles gibi parlak zekalar, tüm geleneksel bilgeliğe aykırı görünse de, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğundan uzun süredir şüpheleniyorlardı. Ancak, bu teorinin geçerli olduğu konusunda bilimsel bir fikir birliği yoktu.

Ta ki 1963'e kadar. Bir tesadüf eseri bu fikri yeniden canlandırana ve bir kez ve herkes için kanıtlanana kadar. Okulunda dondurma yaparken bunu keşfeden Tanzanyalı fizik öğrencisi Erasto Mpemba'nın adını taşıyan Mpemba etkisi, daha önce bahsedilen iki bilim insanının şüphelendiği şeyi doğruluyor: sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donma noktasına ulaşıyor. Ancak, bulguları konusunda haklı mıydı?

Bu fizik kavramı, hem sıcak hem de soğuk su aynı donma ortamına konulursa, ilkinin çok daha hızlı donacağını ileri sürer. Mpemba, dondurma yapma etkinlikleri sırasında, kaynamaya yakın bir süt ve şeker karışımını (çoğunlukla sudur) bir dondurucuya koyduğunda ve bununla birlikte soğutulan diğer oda sıcaklığındaki karışımlardan önce buzlandığında bunu fark etti.

Gözleminden yola çıkarak, farklı sıcaklıklara sahip eşit hacimli sular, biri 100℃ diğeri 35℃, aynı kaplara veya kaplara konulup bir dondurucuya konulduğunda, 100℃ suyun çok daha hızlı bir şekilde buza dönüşeceğini ileri sürdü. Mpemba'nın su varsayımı ve dondurma gözlemi, yüzyıllar boyunca suyun bu sıra dışı özelliği hakkında şüpheleri olan çok sayıda bilim insanıyla aynı çizgide olmasını sağladı.

Su donup buza dönüştüğünde faz değişimi geçirir, esasen sıvı halden katı hale geçer. Geleneksel olarak, fizikçiler bir maddenin fazını dengedeyken ilan ederler, bu da maddenin kararlı bir hale ulaştığı ve bir bölgeden diğerine önemli miktarda enerji akışı olmadığı anlamına gelir. Dahası denge, maddenin sıcaklığının ve hacminin sabit kaldığı anlamına gelir. Buna karşılık, dengede olmayan bir madde dalgalanan enerji seviyelerine ve potansiyel olarak madde haline de sahip olacaktır.

Suyun buzlanıp donmuş kalması için, su parçacıklarının her biri dengeye ulaşmalıdır. Dengesiz sudan akan bol miktardaki enerji, suyun düşük sıcaklıklarda sıvı ve katı veya yüksek sıcaklıklarda gaz ve sıvı arasında dalgalanmasına neden olur. Bu parçacıklar düşük enerji seviyesinde dengeye ne kadar çabuk ulaşırsa, o kadar çabuk donabilirler.

Peki Sıcak Su Neden Daha Hızlı Donar?

Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasının tutarlılığı konusunda süregelen bir tartışma var. Görünen o ki, bunun gerçekleşmesi için belirli koşullar var. Bir kap su donma koşullarına yerleştirildiğinde, suyun tüm parçaları aynı anda dengeye ulaşmaz.

Örneğin, kabın dış tarafındaki su hızla soğur ve donabilirken, ortadaki su sıvı halde kalır. Ve Mpemba'nın yaptığına benzer şekilde, özellikle sıcak suyla dolu bir kabı dondurucuya koyduğunuzu varsayalım. Bu durumda, buzlanması gereken toplam su hacmini azaltmaya yardımcı olan buhar da salınır.

Ek olarak, soğuk ve oda sıcaklığındaki su, donma işlemi sırasında yüzeyinde genellikle bir don tabakası oluşturur. Bu oluşum ironik bir şekilde suyun geçici olarak yalıtılmasına neden olur (buz iglolarının sakinlerini dışarıdaki dondurucu havaya karşı nasıl yalıttığına benzer) ve donma işlemini geciktirir. Bu, en azından donma sürecinin erken aşamalarında bir don tabakasının oluşmasını önlediği ve soğuk havanın kabın içine daha derine nüfuz etmesine izin verdiği sıcak sudan farklıdır.

Sonuç olarak, bunlar sıcak suyun soğuk suya kıyasla hızlı dondurma işlemini gerçekleştirmesinin bazı yollarıdır. Bununla birlikte, suyun donması ve donmuş kalması için bir denge durumuna ulaşması gerekir.