Která voda mrzne rychleji, horká nebo studená, je ovlivněna mnoha faktory, ale samotná otázka se zdá trochu zvláštní. Předpokládá se, a je to známo z fyziky, že horká voda ještě potřebuje čas, aby se zchladila na teplotu srovnatelné studené vody, aby se změnila v led. Se studenou vodou lze tuto fázi přeskočit, a proto vyhraje včas.
Ale odpověď na otázku, která voda mrzne rychleji - studená nebo horká - na ulici v mrazu, zná každý obyvatel severních zeměpisných šířek. Ve skutečnosti se vědecky ukazuje, že v každém případě studená voda prostě musí rychleji zamrznout.
Stejně tak učitel fyziky, kterého v roce 1963 oslovil školák Erasto Mpemba s žádostí o vysvětlení, proč studená směs budoucí zmrzliny mrzne déle než stejná, ale horká.
Toto není světová fyzika, ale nějaký druh fyziky Mpemba
Tehdy se tomu učitel jen smál, ale Deniss Osborn, profesor fyziky, který svého času chodil na stejnou školu, kde studoval Erasto, existenci takového efektu experimentálně potvrdil, ačkoliv pak pro to není žádné vysvětlení. V roce 1969 publikoval populární vědecký časopis společný článek dvou mužů, kteří popsali tento zvláštní účinek.
Od té doby, mimochodem, otázka, která voda mrzne rychleji - horká nebo studená, má svůj vlastní název - efekt, nebo paradox, Mpemba.
Ta otázka vyvstala už dávno
Samozřejmě, že k takovému jevu došlo již dříve a byl zmíněn v pracích jiných vědců. O tuto otázku se zajímal nejen školák, ale svého času o ní přemýšleli i Francis Bacon, René Descartes a dokonce i Aristoteles.
Právě takové přístupy k řešení tohoto paradoxu se začaly hledat až na konci dvacátého století.
Podmínky pro vznik paradoxu
Stejně jako u zmrzliny to není jen obyčejná voda, která během experimentu zamrzne. Aby se mohlo začít hádat, která voda mrzne rychleji – studená nebo horká, musí být přítomny určité podmínky. Co ovlivňuje tento proces?
Nyní, v 21. století, bylo předloženo několik možností, které mohou vysvětlittento paradox. Která voda mrzne rychleji, horká nebo studená, může záviset na skutečnosti, že horká voda má vyšší rychlost odpařování než studená voda. Její objem se tedy zmenšuje a se zmenšováním objemu se zkracuje doba tuhnutí, než když naberete podobný počáteční objem studené vody.
Mraznička byla dlouho odmrazená
Která voda mrzne rychleji a proč k tomu dochází, může být ovlivněno sněhovou výstelkou, která může být v mrazáku chladničky použité pro experiment. Pokud vezmete dvě nádoby, které jsou objemově identické, ale jedna z nich bude mít horkou vodu a druhá studenou, nádoba s horkou vodou pod ní roztaví sníh, čímž se zlepší kontakt tepelné hladiny se stěnou chladničky. Nádoba na studenou vodu to nedokáže. Pokud v chladicím prostoru takové obložení sněhem není, studená voda by měla zmrznout rychleji.
Nahoře – dole
Jev, při kterém voda mrzne rychleji – horká nebo studená, je vysvětlen následovně. Při dodržení určitých zákonitostí začne studená voda mrznout z horních vrstev, zatímco horká voda naopak – začne mrznout odspodu nahoru. Ukazuje se, že studená voda, která má navrchu studenou vrstvu s ledem již vytvořeným na některých místech, tak zhoršuje procesy konvekce a tepelného záření, čímž vysvětluje, která voda mrzne rychleji - studená nebo horká. Fotky od amatéraexperimenty jsou připojeny a je to zde jasně vidět.
Vychází teplo, má tendenci nahoru, a tam se setkává s velmi chlazenou vrstvou. Neexistuje žádná volná cesta pro tepelné záření, takže proces chlazení se stává obtížným. Horká voda nemá žádné takové překážky v cestě. Která mrzne rychleji – studená nebo horká, na čem závisí pravděpodobný výsledek, odpověď můžete rozšířit tím, že jakákoli voda má v sobě rozpuštěné určité látky.
Nečistoty ve složení vody jako faktor ovlivňující výsledek
Pokud nebudete podvádět a používat vodu stejného složení, kde jsou koncentrace určitých látek shodné, pak by měla studená voda zmrznout rychleji. Pokud však nastane situace, kdy rozpuštěné chemické prvky jsou přítomny pouze v horké vodě, zatímco studená voda je nemá, pak má horká voda možnost dříve zamrznout. Vysvětluje se to tím, že rozpuštěné látky ve vodě vytvářejí krystalizační centra a při malém počtu těchto center je přeměna vody na pevné skupenství obtížná. Dokonce je možné i podchlazení vody v tom smyslu, že při teplotách pod nulou bude v kapalném stavu.
Všechny tyto verze však vědcům zjevně plně nevyhovovaly a pokračovali v práci na tomto problému. V roce 2013 tým výzkumníků v Singapuru řekl, že rozluštili prastarou záhadu.
Skupina čínských vědců tvrdí, že tajemství tohoto efektu spočívá v množství energie uložené mezi molekulami vody v jejích vazbách, zvaných vodíkové můstky.
Nápověda od čínských vědců
Následují následující informace, pro jejichž pochopení potřebujete mít určité znalosti z chemie, abyste zjistili, která voda mrzne rychleji – horká nebo studená. Jak víte, molekula vody se skládá ze dvou atomů H (vodík) a jednoho atomu O (kyslíku), které drží pohromadě kovalentní vazby.
Atomy vodíku jedné molekuly jsou ale také přitahovány sousedními molekulami, jejich kyslíkovou složkou. Právě těmto vazbám se říká vodíkové můstky.
Stojí za připomenutí, že molekuly vody na sebe zároveň působí odpudivě. Vědci poznamenali, že když se voda zahřívá, vzdálenost mezi jejími molekulami se zvětšuje, což je usnadněno odpudivými silami. Ukazuje se, že vodíkové můstky, zabírající ve studeném stavu jednu vzdálenost mezi molekulami, lze říci, že jsou natažené a mají větší zásobu energie. Právě tato energetická rezerva se uvolní, když se molekuly vody začnou k sobě přibližovat, to znamená, že dojde k ochlazení. Ukazuje se, že k většímu přísunu energie v horké vodě a jejímu většímu uvolnění při ochlazení na mínusové teploty dochází rychleji než ve studené vodě, která takový přísun má.méně energie. Která voda tedy zamrzne rychleji – studená nebo horká? Mpembův paradox by se měl odehrávat venku a v laboratoři a horká voda by se měla rychleji proměnit v led.
Ale stále otevřeno
Tato stopa je pouze teoreticky potvrzena - to vše je napsáno v krásných vzorcích a zdá se být pravděpodobné. Ale až budou experimentální data, která rychleji mrzne – horká nebo studená, uvedena do praktického smyslu a budou prezentovány jejich výsledky, pak bude možné považovat otázku Mpembova paradoxu za uzavřenou.
