Kumb vesi külmub kiiremini, kuum või külm, seda mõjutavad paljud tegurid, kuid küsimus ise tundub veidi kummaline. Eeldatakse ja füüsikast on teada, et kuum vesi vajab jääks muutumiseks veel aega, et jahtuda võrreldava külma vee temperatuurini. Külma veega saab selle etapi vahele jätta ja vastav alt sellele võidab see aja jooksul.
Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub tänaval pakasega kiiremini – külm või kuum – teab iga põhjapoolsete laiuskraadide elanik. Tegelikult tuleb teaduslikult välja, et igal juhul peab külm vesi lihts alt kiiremini külmuma.
Nii tegi ka füüsikaõpetaja, kelle poole pöördus 1963. aastal koolipoiss Erasto Mpemba palvega selgitada, miks tulevase jäätise külm segu külmub kauem kui sama, kuid kuum alt.
See pole maailmafüüsika, vaid mingi Mpemba füüsika
Tollal õpetaja ainult naeris selle peale, kuid füüsikaprofessor Deniss Osborn, kes käis omal ajal samas koolis, kus Erasto õppis, kinnitas katseliselt sellise efekti olemasolu, kuigi oli siis pole sellele selgitust. 1969. aastal avaldas populaarteaduslik ajakiri kahe mehe ühisartikli, kes kirjeldasid seda omapärast efekti.
Sellest ajast, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini – kuum või külm, oma nimetus – efekt ehk paradoks, Mpemba.
Küsimus tekkis juba ammu
Loomulikult on sellist nähtust varemgi esinenud ja seda mainiti ka teiste teadlaste töödes. See küsimus ei huvitanud mitte ainult koolipoissi, vaid ka Francis Bacon, Rene Descartes ja isegi Aristoteles mõtlesid sellele omal ajal.
Seda vaid lähenemisviise selle paradoksi lahendamiseks hakati vaatlema alles kahekümnenda sajandi lõpus.
Tingimused paradoksi ilmnemiseks
Nagu ka jäätise puhul, ei külmu katse käigus lihts alt tavaline vesi. Selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini - külm või kuum, peavad olema teatud tingimused. Mis seda protsessi mõjutab?
Nüüd, 21. sajandil, on esitatud mitu võimalust, mis võivad seletadasee paradoks. Milline vesi külmub kiiremini, kas kuum või külm, võib sõltuda sellest, et kuuma vee aurustumiskiirus on kõrgem kui külmal. Seega väheneb selle maht ja mahu vähenemisel muutub külmumisaeg lühemaks kui samasuguse esialgse koguse külma vee võtmisel.
Sügavkülm on pikka aega sulanud
Milline vesi külmub kiiremini ja miks see külmub, võib mõjutada lumevooder, mis võib olla katses kasutatud külmiku sügavkülmikus. Kui võtta kaks mahult identset anumat, kuid ühes neist on kuum vesi ja teises külm vesi, sulatab kuuma veega anum enda all oleva lume, parandades seeläbi termilise taseme kontakti külmiku seinaga. Külma vee anum ei suuda seda teha. Kui külmikukambris sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.
Ülemine - alumine
Samuti seletatakse nähtust, mille puhul vesi külmub kiiremini – kuum alt või külm alt, järgmiselt. Teatud seaduspärasusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemistest kihtidest, kui kuum vesi teeb seda vastupidi - hakkab külmuma alt üles. Selgub, et külm vesi, mille peal on külm kiht, mille peal on kohati juba tekkinud jää, kahjustab seega konvektsiooni ja soojuskiirguse protsesse, selgitades sellega, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum. Fotod amatööriltkatsed on lisatud ja see on siin selgelt näha.
Kuumus väljub, kaldudes ülespoole, ja seal kohtub see väga jaheda kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole selliseid tõkkeid. Kumb külmub kiiremini – külm või kuum, millest sõltub tõenäoline tulemus, saate vastust laiendada, öeldes, et igas vees on teatud aineid lahustunud.
Vee koostises esinevad lisandid kui tulemust mõjutav tegur
Kui sa ei peta ja kasutad sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Kuid kui tekib olukord, kus lahustunud keemilisi elemente leidub ainult kuumas vees, samas kui külmas vees neid ei ole, on kuumal veel võimalus külmuda varem. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained tekitavad kristallisatsioonitsentreid ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. Isegi vee ülejahutamine on võimalik selles mõttes, et miinustemperatuuril on see vedelas olekus.
Kuid kõik need versioonid ilmselt teadlastele täielikult ei sobinud ja nad jätkasid selle probleemiga tööd. 2013. aastal ütles Singapuri teadlaste meeskond, et nad on lahendanud igivana mõistatuse.
Rühm Hiina teadlasi väidavad, et selle efekti saladus peitub veemolekulide vahele salvestatud energia hulgas selle sidemetes, mida nimetatakse vesiniksidemeteks.
Hiina teadlaste vihje
Järgneb järgmine teave, mille mõistmiseks on teil vaja keemiaalaseid teadmisi, et aru saada, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teate, koosneb veemolekul kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.
Kuid ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad ligi ka naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Just neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.
Tasub meeles pidada, et samal ajal mõjuvad veemolekulid üksteisele tõrjuv alt. Teadlased märkisid, et kui vett kuumutatakse, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja seda soodustavad tõukejõud. Selgub, et vesiniksidemed, mis hõivavad külmas olekus molekulide vahel ühe vahemaa, on venitatud ja neil on suurem energiavaru. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähenema, st toimub jahtumine. Selgub, et suurem energiavaru kuumas vees ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahutamisel toimub kiiremini kui külmas vees, kus selline varu on.vähem energiat. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Mpemba paradoks peaks toimuma väljas ja laboris ning kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.
Aga ikka avatud
Sellele vihjele on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirja pandud ja tundub usutav. Aga kui katseandmed, milline vesi külmub kiiremini – kuum või külm, panna praktilises mõttes ja nende tulemused esitada, siis on võimalik Mpemba paradoksi küsimust lõpetatuks lugeda.
