I århundraden har observanta vetenskapsmän från Aristoteles till Descartes hyst en misstanke om att - i motsats till all konventionell visdom - kan varmt vatten på något sätt frysa snabbare än kallt vatten. Men det fanns ingen vetenskaplig konsensus om att denna gissning faktiskt var sann.
1963, en tanzanisk fysikstudent vid namn Erasto B. Mpemba (uttalas em-pem -ba) väckte idén på nytt genom en olycka som inträffade när han gjorde glass på sin skola. Han verkade bevisa vad Aristoteles och Descartes hade misstänkt:Varmt vatten når en fryspunkt snabbare än vad kallt vatten gör. Han skrev om sina observationer i en tidning från 1969, med titeln helt enkelt "Cool?" vilket gav upphov till termen "Mpemba-effekten". Men hade Erasto Mpemba rätt? Fryser varmt vatten verkligen snabbare än kallt vatten?
Innehåll
Mpemba-effekten är ett fysikkoncept som postulerar att när varmt vatten och kallt vatten placeras i samma frysmiljö kommer det varma vattnet att frysa snabbare än det kalla vattnet.
Erasto Mpemba noterade att när hans klass gjorde glass, placerade han en nästan kokande blandning av socker och mjölk (som mestadels är vatten) i en frys, och den frös innan andra blandningar som hade kylts till rumstemperatur innan de frystes.
Mpembas extrapolering från denna observation var att när identiska volymer vatten - en vid 212 grader Fahrenheit (100 grader Celsius) och den andra vid 95 grader Fahrenheit (35 grader Celsius) - placerades i identiska bägare och placerades i en frys, 212 grader vattnet skulle bli till is snabbare. Mpembas glassobservation och vattenpostulation anpassade honom till många århundraden av vetenskapsmän som också hade misstänkt denna ovanliga egenskap hos vatten.
När vatten fryser till is genomgår det en fasförändring; det förvandlas från en vätska till en fast substans. Fysiker deklarerar traditionellt fasen av ett ämne när det är i jämvikt. Detta betyder att ämnet är i ett stabilt tillstånd och att betydande mängder energi inte flödar från en region till en annan. Det betyder också att dess volym och temperatur förblir konstant. När ett ämne inte är i jämvikt, fluktuerar dess energinivåer, och det gör (potentiellt) även dess materiatillstånd.
För att vatten ska frysa och förbli fruset måste enskilda vattenpartiklar nå jämvikt. Om för mycket energi strömmar genom vatten som inte är i jämvikt, kommer den att fluktuera mellan fast och flytande (vid låga temperaturer) eller vätska och gas (vid högre temperaturer). Ju tidigare vattenpartiklar når jämvikt vid låga energinivåer, desto snabbare kan de frysa.
Fysiker diskuterar fortfarande om varmt vatten konsekvent fryser snabbare än kallt vatten. När det händer måste vissa villkor uppfyllas.
När ett kärl med vatten är nedsänkt i en frysande miljö når olika delar av vattnet jämvikt vid olika tidpunkter. Vattnet runt kärlets utkant blir snabbare kallare, vilket gör att det kan frysa medan vattnet i kärlets mitt förblir flytande. Och när du specifikt placerar ett kärl med varmt vatten i en frys (som det 212 graders kokande vattnet som beskrivs av Mpemba), släpper det också ut ånga från toppen av kärlet, och detta minskar den totala volymen vatten som måste frysa.
Dessutom utvecklar kallt vatten (eller till och med rumstempererat vatten) ofta ett lager av frost på sin yta som en del av frysningsprocessen. Ironiskt nog isolerar denna frost tillfälligt vattnet (ungefär som hur en isigloo isolerar sina invånare mot kall luft), vilket kan sakta ner den totala frysningsprocessen. Hett vatten, åtminstone i de tidiga stadierna, blockerar bildandet av frost, vilket gör att kall luft kan tränga djupare in i kärlet.
Detta är några av sätten som varmt vatten kan ge upphov till frysning snabbare än vad kallt vatten kan. Men kom ihåg att för att vatten ska frysa och förbli fruset måste det uppnå ett tillstånd av jämvikt.
Om det finns bevis för att Mpemba-effekten är verklig och konsekvent, kommer den från en studie från 2020 av John Bechhoefer och Avinash Kumar. Publicerad i tidskriften Nature, studien utsatte mikroskopiska glaspärlor för vad de kallade ett "energilandskap" kontrollerat av lasrar. Forskarna värmde upp pärlor till olika temperaturer. De observerade sedan vilken av pärlorna som först nådde ett tillstånd av jämvikt inom det energilandskapet.
Bechhoefer och Kumar observerade att mikroskopiska pärlor som startade vid höga temperaturer nådde jämvikt snabbare än de som startade vid lägre temperaturer. Det är intressant nog, men hur hänger det ihop med att nå jämvikt med frysning?
Anslutningen kommer från tidigare arbete utfört av Zhiyue Lu från University of North Carolina och Oren Raz från Weizmann Institute of Science i Israel. Deras artikel, "Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse", publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) och beskriven av Quanta Magazine, postulerar att hetare system av materia kanske kan hoppa framåt i processen med nå jämvikt och därmed nå ett stabilt tillstånd snabbare än ett kallare system.
Om avkoppling mot jämvikt är ett kritiskt riktmärke i frysningsprocessen av vatten, så kan det kombinerade arbetet av Bechhoefer och Kumar tillsammans med Lu och Raz bevisa förekomsten av en Mpemba-effekt.
Mpemba-effekten accepteras inte enhetligt som ett bevisat vetenskapligt fenomen. Men århundraden av observationer, plus nyligen utförda arbeten av Bechhoefer, Kumar, Lu och Raz har övertygat många fysiker om att under rätt omständigheter kan varmt vatten verkligen nå en fryspunkt snabbare än kallt vatten.
Vissa forskare, som Harry Burridge och Paul Linden, är fortfarande skeptiska. De erkänner att även om vissa kärl med varmt vatten kan frysa snabbare än lika stora kärl med kallt vatten, raderar även den minsta förändring i förhållandena effekten. Burridge och Lindens egen studie från 2016, "Att ifrågasätta Mpemba-effekten:varmt vatten kyls inte snabbare än kallt", fann att alla bevis på en Mpemba-effekt berodde på storleken på ett vattenkärl och placeringen av en termometer. I en separat studie fann forskaren James Brownridge att föroreningar i ett kärl med vatten (som de i Mpembas glasskok) kommer att ändra vätskans fryspunkt. Samtidigt som dessa forskare erkänner att det finns tillfällen då varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten, hävdar dessa forskare att fenomenet inte gäller i naturen.
Men andra fysiker, som Raúl Rica Alarcón från Spaniens universitet i Granada, tror att dessa nya datauppsättningar, som de som erbjuds av Bechhoefer och Kumar, är betydande. "Min uppfattning är att Mpemba-effekten kan äga rum under vissa speciella omständigheter", säger Rica Alarcón, "men vi försöker fortfarande ta reda på vad som är de minimala förutsättningarna för att detta ska hända."
Rica Alarcón noterar att iakttagelser av Mpemba-effekten alltid innebär drastiska skillnader i temperatur mellan ett vattenkärl och dess omgivande miljö. Och, tillägger han, du kan observera lika spännande fenomen när du vänder på temperaturerna och placerar frusen is i en het miljö.
Mpemba-effekten, säger Rica Alarcón, "verkar vara en av en stor grupp av onormala termaliseringseffekter, som uppstår när ett system plötsligt sätts i kontakt med ett termiskt bad vid en annan temperatur." Mpemba-effekten beskriver en fasförändring från varm till kall som "när du tar en varm kopp och lägger den i kylen eller frysen." Men förändringar i kall-till-varma faser framkallar också ovanliga resultat. "Intressanta effekter uppstår när du utför temperatursläckning från kallt till varmt", säger Rica Alarcón, "som när du lägger en isbit i kokande vatten."
Vi vet att många generationer av forskare har observerat varmvatten frysa med överraskande hastighet. Rica Alarcón uppmanar oss att betrakta denna process mer holistiskt och tänka på Mpemba-effekten som en del av ett bredare fenomen. "Termalisering", förklarar han, "kan följa kontraintuitiva vägar på grund av det faktum att processerna sker utanför jämvikt."
Precis som sötvatten kan havsvatten frysa - det gör det bara vid en lägre temperatur. Havsvatten fryser vid cirka 28,4 grader Fahrenheit (minus 2 grader Celsius) på grund av dess salthalt, medan sötvatten fryser vid 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius).
