Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna?

Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? To pytanie po raz pierwszy w 1963 roku zadał uczeń tanzańskiego liceum Erasto Mpemba, który obserwował zamarzanie mieszaniny, z której przygotowywał lody. Po sześciu latach od jego obserwacji, opublikowano pierwszy artykuł naukowy dotyczący tego zjawiska, które zyskało miano efektu Mpemby.

Gdy w styczniu 2013 r. Royal Society of Chemistry organizowało sympozjum z okazji 50-lecia odkrycia, poproszono wszystkich chętnych o przesłanie proponowanych wyjaśnień tego nurtującego pytania. Dotarło 22 tys. listów ze 122 krajów, ale żaden nie zawierał jednoznacznej odpowiedzi.

- Choć od pierwszych obserwacji minęło ponad 50 lat, to naukowcy wciąż nie znają odpowiedzi na dwa zasadnicze pytania dotyczące efektu Mpemby: dlaczego tak się dzieje i czy można to zjawisko do czegoś wykorzystać? - podkreślił Maciej Jasiński doktorant z Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych i Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego będzie poszukiwał odpowiedzi na obydwa te pytania. Na ich przeprowadzenie otrzymał 100 tys. zł, zajmując drugie miejsce w konkursie Inter - Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

- W proponowanym projekcie chciałbym poddać weryfikacji najnowszą teorię, próbującą wyjaśnić efekt Mpemby oraz sprawdzić możliwości jego zastosowania w produkcji żywności - tłumaczył Jasiński.

Problem efektu Mpemby można wyjaśnić porównując cząsteczkę, składającą się z trzech atomów, do ojca, który trzyma za ręce dwójkę dzieci. Można sobie wyobrazić, że ręce to wiązania chemiczne łączące trzy atomy.

- Gdy zwiększymy temperaturę takiej cząsteczki, to wzrośnie również jej energia, czyli każde z dzieci będzie ciągnęło ojca za rękę z nieco większą siłą. W takim układzie, wraz ze wzrostem temperatury, będzie rosła też długość wiązań chemicznych. Ten efekt występuje we wszystkich znanych cząsteczkach chemicznych, oprócz wody. W wodzie wraz ze wzrostem temperatury długość wiązań chemicznych zmniejsza się - powiedział Jasiński.

Naukowcy, którzy jako pierwsi zaobserwowali to zjawisko, doszli do wniosku, że to właśnie ono odpowiada za powstanie efektu Mpemby.

- Gdyby wiązania w cząsteczce wody były niezależne od temperatury lub ich długość zmieniałaby się tak jak w innych cząsteczkach, to gorąca woda nie zamarzałaby szybciej. Niestety, teorii tej nie można sprawdzić w praktyce, bo natura dała nam takie, a nie inne cząsteczki wody. W takiej sytuacji można wykorzystać symulacje komputerowe. Można w nich dowolnie zmieniać parametry badanych cząsteczek i obserwować, jak będzie to wpływało na ich zachowanie i właściwości - wyjaśnił młody badacz.

Naukowcy będą symulowali zamarzanie różnych modeli cząsteczek wody. Liczą, że dzięki temu uda się wyjaśnić, która z właściwości cząsteczek rzeczywiście odpowiada za występowanie efektu Mpemby. Nie zamierzają jednak skończyć jedynie na symulacjach komputerowych, chcą też sprawdzić, czy wyniki ich prac można wykorzystać w praktyce.

- Najpierw zbadamy, jak zachowuje się woda zmieszana z cukrem i innymi słodzikami. Musimy sprawdzić, jak substancje rozpuszczone w wodzie wpływają na występowanie efektu Mpemby i samo zamarzanie. Zazwyczaj temperatura zamarzania wody wtedy się obniża - powiedział Jasiński.

Pierwszym poważnym obiektem ich badań eksperymentalnych będzie jednak ...sorbet owocowy.

- Standardowo podczas jego przygotowywania podgrzaną mieszaninę składników chłodzi się, a następnie zamraża. Zmodyfikujemy ten proces, poprzez pominięcie etapu studzenia - opisał naukowiec.

Porównując produkty przygotowane według standardowej receptury i zamrożone na gorąco, naukowcy sprawdzą, czy wykorzystanie efektu Mpemby umożliwi produkcję mrożonek czy sorbetów o zwiększonej wartości odżywczej.

- Im krócej będzie on przebywał w wysokiej temperaturze, tym więcej cennych substancji odżywczych np. witamin uda się w nim zachować - dodał badacz.

Naukowcy sprawdzą też, czy wykorzystując mrożenie na gorąco uda im się przedłużyć termin przydatności do spożycia niektórych produktów.

- Im szybciej taki sorbet zamarznie, tym szybciej unieszkodliwione zostaną żyjące w nim mikroorganizmy odpowiedzialne za psucie się żywności - tłumaczył Jasiński.

Nagrodzony przez FNP projekt będzie realizowany przez rok.

- Gdyby wszystko nam się udało, to byłby dobra okazja do nawiązania współpracy z przemysłem np. z producentem lodów. Dla przemysłu mogłaby to być ciekawa kampania reklamowa, służąca przy okazji popularyzacji nauki, a dla naukowców możliwość przeprowadzenia badań aplikacyjnych - uważa naukowiec.

Autor: mab/mk / Źródło: PAP