Το θερμό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο; Το φαινόμενο Mpempa

Μπορεί να μας φαίνεται παράδοξο αλλά το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα απ’ ότι το ψυχρότερο νερό. Το φαινόμενο αυτό το είχε επισημάνει ο Αριστοτέλης από την αρχαιότητα στα Μετεωρολογικά (A 12 348b31–349a4), χωρίς βέβαια να γίνουν τότε τα απαραίτητα πειράματα καθώς δεν υπήρχαν τα σύγχρονα μέσα. Αναφέρει λοιπόν ο Αριστοτέλης: «Συμβάλλεται δ’ ἔτι πρὸς τὴν ταχύτητα τῆς πήξεως καὶ τὸ προτεθερμάνθαι τὸ ύδωρ· θᾶττον γὰρ ψύχεται. Διό πολλοί ὅταν τὸ ὕδωρ ψῦξαι ταχὺ βουληθῶσιν, εἰς τὸν ἥλιον τιθέασι πρῶτον……..». Ο Αριστοτέλης στο παραπάνω κείμενο μας πληροφορεί ότι «το νερό αν έχει προηγουμένως θερμανθεί συμβάλλει στην γρηγορότερη κατάψυξη του, διότι έτσι ψύχεται νωρίτερα. Ως εκ τούτου, πολλοί άνθρωποι, όταν θέλουν να κρυώσουν νερό γρήγορα, ξεκινούν και το τοποθετούν πρώτα στον ήλιο¨.

Γράφει ο Νίκος Σεκεριάδης, Μηχανολόγος Μηχανικός Εκπαιδευτικός

Το συγκεκριμένο γεγονός δεν έχει εξηγηθεί από την επιστημονική κοινότητα, η οποία επανήλθε μετά από 2000 χρόνια, με τον Francis Bacon και τον René Descartes, όμως ονομάζεται «φαινόμενο Mpempa» προς τιμή του Erasto Mpempa, ενός μαθητή από τη Τανζανία που το περιέγραψε το 1963.
Το 1963, ένας δεκατριάχρονος Αφρικανός μαθητής με το όνομα Erasto Mpempa, στην Τανζανία, έφτιαχνε παγωτό στο σχολείο, το οποίο έκανε αναμιγνύοντας βραστό γάλα με ζάχαρη. Υποτίθεται ότι θα περίμενε να κρυώσει το γάλα πριν το τοποθετήσει στο ψυγείο, αλλά βιαστικά έβαλε το γάλα του μέσα στο ψυγείο χωρίς να το κρυώσει. Με έκπληξη διαπίστωσε ότι το ζεστό γάλα έγινε παγωτό, πριν από αυτό των άλλων μαθητών. Ζήτησε από τον καθηγητή φυσικής του μια εξήγηση, αλλά αυτός του είπε ότι μάλλον πρέπει να έχει μπερδευτεί και ότι αυτό δεν γίνεται.

Αργότερα, όταν πήγε στο γυμνάσιο, ο Μπέμπα έμαθε τον νόμο ψύξης του Νεύτωνα. Ο Μπέμπα ρώτησε τον δάσκαλό του γιατί το ζεστό γάλα πάγωσε πριν από το κρύο γάλα όταν τα έβαλε στην κατάψυξη. Πάλι έλαβε την απάντηση ότι πρέπει να έχει μπερδευτεί.

Στο γυμνάσιο, ο διευθυντής του σχολείου κάλεσε τον φυσικό Denis Osborne, από το University College του Dar Es Salaam, σε συνέδριο με θέμα «Φυσική και ανάπτυξη της Τανζανίας», στο οποίο έδωσε διάλεξη για τη φυσική. Μετά τη διάλεξη, ο Μπέμπα του έθεσε την ερώτηση:

«Εάν πάρετε δύο παρόμοια δοχεία με ίσους όγκους νερού, το ένα στους 35°C και το άλλο στους 100°C και τα βάλετε σε καταψύκτη, αυτό που ξεκίνησε στους 100°C παγώνει πρώτα¨. Γιατί;

Ο Osborne είπε ότι δεν μπορούσε να σκεφτεί καμία εξήγηση, αλλά θα δοκιμάσει το πείραμα αργότερα. Όταν επέστρεψε στο εργαστήριό του, ζήτησε από έναν τεχνικό να ελέγξει τον ισχυρισμό του Mpemba. Ο τεχνικός αργότερα ανέφερε ότι πράγματι το ζεστό νερό πάγωσε λέγοντας ότι «θα συνεχίσουμε να επαναλαμβάνουμε το πείραμα μέχρι να πάρουμε το σωστό αποτέλεσμα». Ωστόσο, οι επαναλαμβανόμενες δοκιμές έδωσαν το ίδιο αποτέλεσμα και το 1969 οι Mpemba και Osborne έγραψαν τα αποτελέσματα της έρευνας τους (Mpemba, Erasto B. Osborne, Denis G. «Cool» Physics Education. (1969).

Γραφική παράσταση των ποσοστών ψύξης για τα δύο δείγματα νερού

Διαχρονικά οι επιστήμονες έχουν προτείνει δεκάδες εξηγήσεις για το φαινόμενο το οποίο φαίνεται να αντίκειται στους βασικούς νόμους της θερμοδυναμικής, καμία όμως θεωρία δεν έχει υιοθετηθεί ως η οριστική απάντηση. Το 2012 μάλιστα, η Βασιλική Εταιρία Χημείας της Μεγάλης Βρετανίας ανακοίνωσε πως θα έδινε ένα βραβείο 1.000 λιρών σε όποιον κατάφερνε να εξηγήσει ικανοποιητικά το φαινόμενο. Αν και το βραβείο δόθηκε στο Νίκολα Μπρέκοβιτς, το θέμα δεν θεωρήθηκε πως διευθετήθηκε πλήρως.
Παρ’ όλα αυτά δυο φυσικοί από το πανεπιστήμιο Nanyang της Σιγκαπούρης, υποστηρίζουν ότι έδωσαν μια πιο ολοκληρωμένη ερμηνεία του φαινομένου παίρνοντας υπόψη τους τις μοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων του νερού.

Οι Sun Changqing και Xi Zhang, κατάφεραν να αποδείξουν ότι το ζεστό νερό στην διαδικασία ψύξης του, αποβάλλει ενέργεια (θερμότητα) πολύ γρηγορότερα σε σχέση με αντίστοιχη ποσότητα ψυχρότερου νερού και για τον λόγο αυτό «το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο».

Υπάρχουν όμως αντιρρήσεις από άλλους επιστήμονες που ερευνούν πειραματικά το φαινόμενο Mpemba, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι «δυστυχώς, δεν υπάρχουν σημαντικά στοιχεία που να εξηγούν το φαινόμενο Μpemba».

Γιατί όμως η σύγχρονη επιστήμη δεν έχει απαντήσει σε αυτήν την φαινομενικά απλή ερώτηση για το νερό που ψύχεται; Το κύριο πρόβλημα για αυτό είναι ότι ο χρόνος που χρειάζεται το νερό για να παγώσει είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε διάφορες λεπτομέρειες πάνω στο πειραματικό μοντέλο, όπως είναι η μορφή και το μέγεθος του δοχείου, η μορφή και το μέγεθος της μονάδας ψύξης, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό και η περιεκτικότητα του νερού σε ακαθαρσίες, πώς καθορίζεται ο χρόνος της ψύξης, και άλλα πολλά. Λόγω λοιπόν αυτής της ευαισθησίας, ενώ τα πειράματα γενικά έχουν συμφωνήσει ότι πράγματι υπάρχει το φαινόμενο Mpemba, οι φυσικοί διαφωνούν πάνω στους όρους κάτω από τους οποίους εμφανίζεται, και γιατί εμφανίζεται έτσι.

Το Journal of Physics Education της Μεγάλης Βρετανίας το 1979, έδωσε στο φαινόμενο αυτό την ονομασία «φαινόμενο Mpempa».