A feltevés hogy a meleg víz gyorsabban fagy, még furcsább lett

Ez lehet hogy megmagyarázza a fizika egyik legrégebbi rejtélyét.

Annak ellenére, hogy a fizika egyik legkirívóbb ellentmondásának hangzik, a meleg víz bizonyos körülmények között, látszólag gyorsabban fagy meg a hidegnél. A jelenség egészen Arisztotelészig vezethető vissza, de az azóta eltelt évszázadok során sem sikerült senkinek megmagyarázni a jelenség mibenlétét.

Most a fizikusok a hidrogénkötések sajátosságaira mutatnak, mint a megoldás a rejtélyre – de mások úgy gondolják, hogy a Mpemba hatás néven emlegetett jelenség valójában nem is létezik.

Egy kis háttértudásként a Mpemba hatás egy olyan jelenség, ami már Arisztotelész is megfigyelt több mint 2000 évvel ezelőtt és a kérdés azóta is zavarba hozza a fizikusokat.

Francis Bacon és René Descartes hasonló megfigyeléseit követően, a lehetőség hogy a meleg víz gyorsabban fagy, mint a hideg az 1960-as években vált széleskörűen elfogadottá. Az egész egy tanzániai fiúnak köszönhető, aki fagylaltkészítés közben figyelt fel a hatásra.

Erasto Mpemba (balra)

Erasto Mpemba és az iskolatársai gyakran készítettek jégkrémet úgy hogy a forró tejet cukorral keverték, majd megvárták mire lehűl és utána betették a fagyasztóba.

Egy nap, Mpemba türelmetlen volt, és ahelyett hogy megvárta mire a keverék lehűl, a még forró tejet a fagyasztóba tette, remélve a legjobbakat. Mindenki meglepetéséra a jégkrém az eddigiekhez képest gyorsabban készült el. 1969-ben Mpemba egy fizika professzorral állt össze hogy kiadjanak egy írást, ami a jelenséget írja le.

De van egy nagy probléma a Mpemba hatással. Annak ellenére, hogy a tény többé-kevésbé elfogadott, a fizikusok mégsem értenek egyet azon, hogy hogyan is működik valójában. Hogyan is fagyhatna meg a meleg víz gyorsabban, mint a hideg, amikor is az már egy jelentős előnnyel rendelkezik.

És ott van még az ismételhetőség húzódó problémája is.

A próbálkozások hogy megismételjék a Mpemba hatást egy üzembiztos környezetben mind megbuktak, de mégis hoztak annyi ellentmondásos eredményt, hogy a hatás létezését nem vetették el teljesen.

Még 2012-ben, a Royal Society of Chemistry tartott egy versenyt, aminek a keretében megkérték a tudósokat, hogy magyarázzák meg a jelenséget, és annak ellenére hogy nagyjából 22 ezer választ kaptak, mégsem született egy magyarázat sem ami széleskörű elismerést kapott volna.

Ahogy Signe Dean mondta tavaly:

A legelterjedtebb hipotézis … az az hogy a meleg víz könnyebben párolog el, ezzel csökkentve a tömegét ami miatt már kevesebb hőt kell leadnia ahhoz hogy megfagyjon. Azonban tudósok már igazolták a Mpemba hatás jelenlétét egy lezárt edényben is ahol párolgás nem következhetett be.”

Egy másik elméleti spekuláció szerint a vízben konvekciós áramlatok és egy hőmérséklet átmenet alakulhat ki a lehűlés közben.

A meleg víz gyorsan lehűlő üvegénél nagyobb lesz a hőmérséklet különbség az üveg különböző pontjain és gyorsabban fog hőt leadni a felületén, az egységesen hideg üveggel szemben, aminél a hőmérséklet különbség kisebb és kisebb mértékű a konvekció is, ami felgyorsítaná a folyamatot.

De ezt az ötletet se igazolták még teljesen.

Szóval még évszázadok kutatása után sincs meg a válasz.

Most, kutatók a dallasi Déli Metodista Egyetemről és a kínai Nanjing Egyetemről úgy gondolják, hogy megtalálták a választ – a hidrogén és az oxigén molekulák között létrejövő furcsa tulajdonságú kötések lehetnek kulcsfontosságúak a nehezen megfogható Mpemba hatás megértésében.

A víz molekulák csoportosulásának leszimulálása azt mutatja, hogy a molekulákban létrejövő hidrogénkötéseket (H-kötés) befolyásolja a szomszédos víz molekulák elrendezése.

Ahogy a vizet melegítjük, a gyengébb kötések felszakadnak és a molekula csoportok töredékeket alkotnak, amik könnyebben tudnak újraformálódni a jeget alkotó kristályos szerkezetbe, ezzel jó kiindulópontot jelentve a megfagyáshoz,” mondta Emily Conover a Science News-nak.

Ahhoz hogy a hideg víz így átrendeződjön, először ezeknek a gyenge hidrogénkötéseknek kell felszakadnia.

Más szavakkal, nagyobb mennyiségű erős hidrogénkötést találtunk a meleg vízben, mint a hidegben, mivel a gyengébbek már felszakadtak a hőmérséklet megemelkedésekor.

A csapat ezt a következtetést vonta le az írásukban:

Az analízis … odáig vezetett hogy elő tudunk állni egy molekuláris magyarázattal a Mpemba hatáshoz. A meleg vízben, a gyenge H-kötések, főleg elektrosztatikus hozzájárulásai megszakadnak és a kisebb víz halmazokat alkotnak az erős H-kötésekkel elrendezve, amivel felgyorsítják a magképződés folyamatát, ami végül szilárd jég hexagonális rácsszerkezetéhez vezet.

Ezért, a víz megfagyása gyorsabban zajlik le, mint a hideg víznél, ahol a véletlenszerűen elrendezett víz halmazok átalakulása jelentős időt és energiát vesz igénybe.

De mint az eddigi összes magyarázatnál, még mindig több bizonyítékra lesz szükség hogy biztosak legyünk abban, hogy ez – vagy a tényezők összjátéka – játszódik le a Mpemba hatás alatt.

Amíg sokan úgy gondolják, hogy az ismételhetőség problémája sok összetevőre – többek között a konvekció, párolgás és a túlhűtés – vezethető vissza és arra, hogy a fagyás egy átmeneti és nem pedig egy azonnal létrejövő változás, mások azt mondják a Mpemba hatás egy rendkívül kitartó mítosz.

A londoni Imperial College egy csapatának mostanában megjelent írásában, azt vizsgálták mennyi időbe telik mire a meleg és a hideg víz minták elérik a fagypontot (0 fok Celsius).

Bármit is csináltunk, nem sikerült semmi a Mpemba hatáshoz hasonló hatást megfigyelnünk,” mondta Henry Burridge, a kutatásban résztvevő egyik tudós, a Science News-nak.

Szóval mi is folyik itt pontosan? Még várnunk kell, mire kiderül, hogy melyik következtetés – ha bármelyik is – fogja kiállni a további vizsgálatokat, de egy dolog biztos, a víz még mindig tartogat meglepetéseket ennyi év után is.

A hidrogénkötéses cikk a Journal of Chemical Theory and Computation-ban jelent meg, a leleplező cikk pedig a Scientific Reports-ban.

Forrás: www.sciencealert.com

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás

A honlap további használatához a sütik használatát el kell fogadni. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás