Mpembův jev: Porovnání verzí

Mpembův jev, v angličtině Mpemba effect, označuje zdánlivě nesmyslnou a paradoxní skutečnost, že teplá voda může zmrznout (tj. změní se skupenství z kapalného na tuhé, změní se v led) dříve než voda studená. K tomuto jevu však nemusí dojít vždy (např. v menším prostoru (mrazáku) může teplá voda v nádobě příliš ovlivnit teplotu celého prostředí). Je taky třeba upozornit na to, že příčiny Mpembova jevu dosud nejsou uspokojivě objasněny.

Některá z možných vysvětlení

Nejpravděpodobnější (i podle samotného Mpemby) se zdá podchlazení spojené s konvekcí.^[1] Přechlazená voda může totiž mít nižší bod tuhnutí u původně chladnější vody než u té původně horké.

Dále se uvádějí:

• změny proudění vody v závislosti na teplotě (konvekce) – není vyloučeno, že teplejší voda rychleji či jinak proudí, a tím se rychleji ochlazuje

• teplá voda může více či jinak měnit vlastnosti svého okolí, např. podložky, na níž nádoba s vodou stojí

• vypařování, které je u teplejší vody výraznější, může způsobit jednak to, že teplé vody zůstane méně (čímž se tuhnutí urychluje), jednak vypařováním voda teplo ztrácí

• vyšší teplota vody může způsobit unikání (rozpuštěného) vzduchu, jenž je ve vodě přítomen, či jinak ovlivňovat působení svých příměsí, které tuhnutí vody ovlivňují

Výzkumy žádné z těchto vysvětlení nepotvrdily, případně můžou Mpembův jev vysvětlovat jen zčásti; zatím jako nejpravděpodobnější se jeví možnost, že:

• teplá voda paradoxně příznivě ovlivňuje složité pochody na molekulární úrovni. Uspořádání molekul kapalné vody a ledu je rozdílné, ke změně skupenství z kapalné vody na led je nutné vytvoření tzv. krystalizačních jader. Termický pohyb molekul umožňuje vytvoření těchto jader (resp. zvyšuje pravděpodobnost a četnost jejich vytváření).

• příčinou může být i energie molekulové interakce.^[2]

Některá vysvětlení hledají původ mimo vlastní kapalinu:

• Jeden z nedávných výzkumů (viz externí odkazy) vychází při vysvětlení z toho, že teplá voda způsobí roztání tepelně izolující jinovatky na povrchu chladničky, a „vytvoří“ tak lepší tepelný kontakt mezi těmito povrchy. Teplá nádoba má pak mnohem lepší odvod tepla a proto zmrzne rychleji.

Zdánlivost paradoxu

Zdánlivě paradoxní jev nenarušuje fyzikální principy. Nejedná se totiž o fázový přechod na stejně připravené mikroskopicky ustálené kapalině. V případě, že je „studená“ voda připravena stejně jako „horká“, mrzne prvně uvedená dříve. Nejnázorněji to lze ukázat na (myšlenkovém) experimentu s časovým zpožděním. Stačí k tomu jediný vzorek vroucí vody (čímž je zaručena úplná chemická i fyzikální shodnost vzorku i chladícího prostředí). V okamžiku, kdy se dá mrznout, se spouští čas pro „horkou“ vodu; když po chvíli zchladne, spouští se čas pro „studenou“ vodu – je evidentní, že zmrznutí "teplé" vody bude trvat déle právě o dobu, za kterou musela vychladnout na "studenou".

Historie

Skutečnost, že teplá voda mrzne dřív než studená, byla (i když pravděpodobně ne všeobecně) známá už dávno (zmiňuje se o ní např. Aristoteles, Francis Bacon, René Descartes, Giovanni Marliani) nebyla však dlouho předmětem systematického vědeckého výzkumu a upadla v zapomnění. V roce 1963^[3] si tanzanský student Erasto B. Mpemba náhodou této skutečnosti všiml při přípravě zmrzliny ve školní kuchyni, později se dověděl, že zmrzlináři tuto metodu používají běžně. Jeho učitel fyziky jeho dotaz, proč k tomuto jevu dochází, odbyl s tím, že jde o nesmysl, a když na něm Mpemba trval, učitel sarkasticky prohlásil, že zřejmě nejde o běžnou fyziku, ale o „Mpembovu fyziku“. Analogickými termíny se pak ve škole mezi spolužáky stalo zvykem označovat nesmyslná tvrzení (Mpembova matematika atp.). Mpemba se však nevzdal a (k pohoršení svého učitele fyziky) se zeptal na tuto skutečnost fyzika Denis G. Osborna při jeho návštěvě na škole. Ten na dotaz rovněž odpovědět neuměl, ale slíbil, že jev vyzkouší. Ke svému překvapení pak zjistil, že Mpemba má zřejmě pravdu. Své závěry oba zveřejnili v květnu v roce 1969.^[3] Tím povědomí o tomto jevu znova proniklo do vědecké veřejnosti a jev byl nazván Mpembovým jménem. Mpemba tohoto jevu rovněž využil k tomu, aby vyhrál sázku.

Související články

• Denis G. Osborne
• Erasto B. Mpemba

Reference

Zdroje

• časopis Vesmír 2003/7 (PDF verze na konci článku)
• časopis Vesmír 2002/11 (PDF verze na konci článku)
• Mpembovo osobní líčení, anglicky
• PDF soubor založený patrně na Mpembově líčení

Další odkazy a literatura

• Can hot water freeze faster than cold water?; článek na math.ucr.edu (angl.)

• Monwhea Jeng (Momo), Department of Physics, University of California (anglicky, 8 stránek)

• Pavel Böhm, Diplomová práce - Mpembův jev – skutečnost nebo fikce?, Univerzita Karlova v Praze (2003, česky, 77 stran)

• Dagmar Jenišová, Diplomová práce - Mpembův jev, Masarykova univerzita, Pedagogická fakulta (2007, česky, ??str)

• (anglicky) A search for the Mpemba effect: When hot water freezes faster then cold water (možné vědecké vysvětlení z r. 2010)

• (anglicky) Mpemba effect: Why hot water can freeze faster than cold (popularizační článek na Physorg.com k předchozímu odkazu)