Το Φαινόμενο Mpemba
Ένα φυσικό φαινόμενο που ανατρέπει τη λογική!
Αν βάλουμε στην κατάψυξη δύο ποτήρια νερό, ένα ζεστό και ένα κρύο, ποιο από τα δύο θα γίνει πρώτο πάγος; Η λογική λέει το κρύο, καθώς το ζεστό νερό πρέπει πρώτα να κρυώσει μέχρι τη θερμοκρασία του κρύου και μετά να συνεχίσει προς το μηδέν. Όμως, η Φυσική έχει διαφορετική άποψη…
Εδώ και δεκαετίες, μελετάται ένα παράξενο φαινόμενο σύμφωνα με το οποίο, υπό ορισμένες συνθήκες, το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως «Mpemba Effect» και αποτελεί ένα από τα πιο διάσημα «παράδοξα» της θερμοδυναμικής.
Πώς ξεκίνησε ο προβληματισμός σχετικά με το παράδοξο…
Το 1963, ο Erasto Mpemba, ένας μαθητής από την Τανζανία, παρατήρησε κάτι περίεργο ενώ έφτιαχνε παγωτό στο σχολείο. Το ζεστό μείγμα που είχε μόλις βράσει φαινόταν να παγώνει πιο γρήγορα από άλλα μείγματα που είχαν ήδη κρυώσει. Παρόλο που η παρατήρησή του αμφισβητήθηκε από τους καθηγητές του, εκείνος επέμεινε. Λίγα χρόνια αργότερα, συνεργάστηκε με τον φυσικό Denis Osborne και δημοσίευσαν μαζί μία επιστημονική εργασία πάνω στο φαινόμενο αυτό.
Τι είναι το φαινόμενο Mpemba;
Με απλά λόγια, σε κάποιες περιπτώσεις, το ζεστό νερό μπορεί να μετατραπεί σε πάγο πιο γρήγορα από το κρύο. Όμως, αυτό δεν συμβαίνει πάντα.
Το νερό, καθώς ψύχεται εξατμίζεται, δημιουργεί ρεύματα στο εσωτερικό του, αλλάζει η συμπεριφορά των μορίων του, επηρεάζεται από τα αέρια που περιέχει και σχηματίζει κρυστάλλους πάγου με πολύπλοκο τρόπο. Έτσι, δύο φαινομενικά ίδια δοχεία νερού μπορεί τελικά να συμπεριφερθούν εντελώς διαφορετικά.
Οι πιθανές εξηγήσεις...
Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καταλήξει σε μία μοναδική εξήγηση. Κάποιοι άλλοι το απορρίπτουν πλήρως, εξηγώντας ότι όσες φορές παρατηρείται στα εργαστήρια, η διαφορά στο χρονικό όριο ψύξης του ζεστού νερού έναντι του κρύου είναι εντός των ορίων του πειραματικού λάθους. Για τους υποστηρικτές του φαινομένου, το φαινόμενο Mpemba οφείλεται σε συνδυασμό παραγόντων.
1) Εξάτμιση: Το ζεστό νερό εξατμίζεται πιο εύκολα. Αυτό σημαίνει ότι μέρος του νερού φεύγει ως υδρατμός, άρα μένει μικρότερη ποσότητα νερού που πρέπει να παγώσει. Επιπλέον, με την εξάτμιση απομακρύνεται και θερμότητα.
2) Ρεύματα στο εσωτερικό του νερού: Το ζεστό νερό δημιουργεί πιο έντονα ρεύματα μεταφοράς θερμότητας, βοηθώντας τη θερμότητα να απομακρυνθεί γρηγορότερα.
3) Η υπέρψυξη: Το νερό δεν παγώνει πάντα ακριβώς στους 0°C. Μερικές φορές μπορεί να πέσει κάτω από το μηδέν και να παραμένει υγρό. Αυτό λέγεται υπέρψυξη. Ορισμένα πειράματα δείχνουν ότι το νερό που είχε προηγουμένως θερμανθεί υπερψύχεται λιγότερο. Έτσι ξεκινά νωρίτερα ο σχηματισμός πάγου. Μάλιστα, πολλοί Φυσικοί και Χημικοί θεωρούν ότι η απάντηση της υπέρψυξης είναι μία από τις πιο ισχυρές εξηγήσεις του φαινομένου.
4) Τα αέρια μέσα στο νερό: Το νερό περιέχει διαλυμένα αέρια, όπως οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Όταν θερμαίνεται, κάποια από αυτά απομακρύνονται. Αυτό αλλάζει ελαφρώς τις ιδιότητές του και ίσως επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζεται ο πάγος.
Οι επιστήμονες δυσκολεύονται, γενικά, να δώσουν σαφείς απαντήσεις για τον λόγο που συμβαίνει το φαινόμενο Mpemba, καθώς το φαινόμενο αυτό είναι πολύ ευαίσθητο. Ακόμη και μικρές αλλαγές, όπως το υλικό του δοχείου, η ποσότητα νερού, η θέση μέσα στην κατάψυξη, η καθαρότητα του νερού, η υγρασία του αέρα, ακόμη και το σχήμα του δοχείου, μπορούν να αλλάξουν το αποτέλεσμα.
Η επέκταση του φαινομένου
Το φαινόμενο Μπέμπα δεν αφορά μόνο το νερό. Τα τελευταία χρόνια, οι Φυσικοί έχουν βρει παρόμοιες συμπεριφορές και σε άλλα συστήματα: από μαγνητικά υλικά μέχρι κβαντικά συστήματα. Αυτό σημαίνει ότι, ίσως, δεν πρόκειται απλώς για μια ιδιοτροπία του νερού, αλλά για κάτι γενικότερο που σχετίζεται με το πώς η φύση φτάνει σε κατάσταση ισορροπίας.