Mpemba Etkisi: Sıcak su soğuk sudan daha önce donar

Erasto başından geçenleri öğretmenine anlattı ama öğretmeni ona inanmadı. Merakının peşini bırakmayan Erasto deneylerine devam etti. Fizik konulu bir konferans için okulunu ziyaret eden fizik profesörüne “özdeş kaplarda 35°C ve 100°C derecede bulunan sudan neden sıcak olanın daha önce donduğunu” sordu. Fizik profesörü Dr. Osborne önce sorunun hatalı olduğunu düşünüp Erasto’dan soruyu tekrarlamasını istedi. Erasto soruyu doğru sorduğunu ve bu konuda deneyler yaptığını açıklayınca, Dr. Osborne da bir deney yapmayı kabul etti.

Dr. Osborne ‘Dar es Salaam Üniversitesi’ne geri döndüğünde genç bir teknisyenden bu konuyla ilgili bir deney yapmasını istedi.  Teknisyen deney sonucunda sıcak suyun daha önce donduğunu doğruladı. Sıcak suyun önce donmasına şaşıran teknisyen Dr Osborne’a “doğru sonucu(!) alana kadar deneyi tekrarlayacağını” söyledi.

Tekrarlanan deneyler Erasto Mpemba’yı haklı çıkardı ve Erasto Dr. Osborne ile birlikte bir makale yayınladı. Bu ¹ makale yayınlandığından beri sıcak suyun soğuk sudan önce donması Mpemba etkisi olarak anılıyor.

Mpemba’nın makalesi bu etkiyi ele alan ilk araştırma değil. “Aristoteles’in günümüzden 2000 yıl önce aynı konuyla ilgilendiğini ve bu konuyu Meteorologica’da yazdığını, 17. yüzyılda Francis Bacon ve Descartes’in bu konuyla ilgili deneyler yaptığını biliyoruz”. ²

Filozofların ve bilim insanlarının yanı sıra Mpemba etkisi halk tarafından da gözlenmiştir. “Kanada halkı yıllardan beri sıcak suyun daha hızlı donduğunu gözlemledikleri için arabalarını soğuk suyla yıkarlar.” ³ Buz pateni pistlerini yapmak veya düzeltmek için de sıcak su kullanılır. Dondurma üreticileri hızlı üretim yapmak için dondurma karışımını sıcak olarak buzdolabına koyarlar.

Mpemba Etkisi Neden Oluşur?

Mpemba etkisine neden olan birçok etmen var. Yalnızca tek bir etmen veya farklı etmenlerin birleşimi Mpemba etkisinin görülmesine neden oluyor.

Mpemba etkisine neden olan etmenlerden biri sıvıların kütlesi. Örnek olarak 30°C ve 70°C derecede özdeş kaplardaki eşit kütleli sıvılar soğumaya bırakıldığında 70°C derecede olan sıvı buharlaşma nedeniyle kütlesinin bir bölümünü kaybediyor. Kütlesini kaybeden sıvı daha kısa sürede donuyor. Ne var ki kütle etkisi bütün başlangıç değerleri (başlangıç kütlesi, başlangıç sıcaklığı, kap boyutu vs.) için gözlenmeyebiliyor.

Ayrıca sıcak suyun buharlaşması sırasında kaybedilen buharlaşma ısısı (bkz. latent heat) sıvının daha hızlı soğumasına neden olabilir. Ancak Mpemba etkisini açıklamak için bu ısı kaybı da tek başına yeterli değil.

Bir diğer etki suyun kaptaki sıcaklık dağılımı nedeniyle oluşan konveksiyonel akım. Konveksiyonel ısı iletimi nedeniyle sabit 30°C derecedeki su ile 100°C’den 30°C’ye soğumuş suyun kaptaki sıcaklık dağılımları farklılık gösterir. Sıcaklık dağılımındaki fark suyun ısı kaybetme hızını arttıracak etkilere neden olur.

Soğuk ve sıcak su çıplak göze aynı görünmekle birlikte farklı miktarda çözünmüş gaz içerebilirler. Sıcak su soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz barındırır. Çözünmüş gaz miktarı deneylerde kullanılan sıvıların aslında özdeş olmadığını gösterir. Ancak çözünmüş gaz miktarı eşit olan sıvılar kullanıldığında da Mpemba etkisi gözlenebiliyor. ⁴

2013 yılında yayınlanan bir makale Mpemba etkisine farklı bir bakış açısı getirdi. Bu makaleye göre Mpemba etkisinin sorumlusu su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarıdır. ⁵ “Hidrojen bağları su moleküllerini birbirlerine yakınlaştırır. Bu nedenle kovalent bağlar tıpkı yay gibi esneyerek enerji biriktirirler.

H₂O Hidrojen ve Kovalent Bağlar Görseli ⁶

Su ısınmaya başlayınca hidrojen bağları uzar ve su moleküllerinin arası açılır. Sonuç olarak kovalent bağlar kısalır. Kovalent bağların kısalması enerji kaybına neden olur. Bu enerji kaybı suyun soğuması sırasında yaşanan enerji kaybıyla aynıdır. Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasının nedeni sıcaklık nedeniyle halihazırda kısalmış kovalent bağlar olabilir.” ⁷

Sonuç olarak başlangıç parametrelerine ve sıvının özelliklerine göre birçok farklı neden Mpemba etkisine neden olur. Önümüzdeki yıllarda bu etkiye muhtemelen daha kapsamlı açıklamalar bulunacaktır. Bu etkinin bize gösterdiği en önemli sonuç günlük hayattaki fiziğin öğrendiğimiz teorik bilgilerden ve ön kabullerimizden şaşırtıcı şekilde farklılık gösterebildiğidir.

*Mpemba etkisinin oluşmasına neden olan etmenler fizik kanunları ile 1,2 ve 4’üncü referansta yer alan makaleler kullanılarak açıklanmıştır.

 

Kaynaklar
¹ Mpemba, E. B., and D. G. Osborne. "Cool?." Physics Education 4 (1969): 172-175.
² Jeng, Monwhea. "Hot water can freeze faster than cold?!?." arXiv preprint physics/0512262 (2005).
³ Kell, G. S. The freezing of hot and cold water. NATIONAL RESEARCH COUNCIL OF CANADA OTTAWA (ONTARIO) DIV OF APPLIED CHEMISTRY, 1968.
⁴ http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html
⁵ Huang, Xi Zhang Yongli, Zengsheng Ma, and Chang Q. Sun. "O: HO bond anomalous relaxation resolving Mpemba paradox." arXiv preprint arXiv:1310.6514 (2013).
⁶ http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2483383/Mystery-hot-water-freezes-faster-cold-solved--strange-behaviour-atom-bonds.html
⁷ https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/why-hot-water-freezes-faster-than-cold-physicists-solve-the-mpemba-effect-d8a2f611e853