Dünya üzerinde hepimizin çok yakından tanıdığı, ancak bilimin en tuhaf maddelerden biri olarak kabul ettiği şey aslında sudur. Suyun alışılmadık davranışlar sergilediği onlarca durum vardır. Bunlardan biri de Mpemba etkisidir.
İçleri su dolu iki kabı dondurucuya koyduğunuzu düşünün: biri zaten soğuk, diğeri ise hâlâ sıcak. Sizce hangisi önce donar? Elbette soğuk olan—sonuçta donma noktasına daha yakındır. Öyle değil mi?
Aslında değil. Pek çok deneyin gösterdiği üzere, bazı durumlarda daha sıcak su daha hızlı donabilir. Soğuk olan ise daha uzun sürede donar.
Bu ilginç durum 1963 yılında Tanzanyalı bir lise öğrencisi olan Erasto Mpemba’nın dikkatini çekti. Mpemba, Tanganyika’daki Magamba Ortaokulu’nda bir yemek dersine katılıyordu. O günkü görevleri dondurma yapmaktı: Öğrenciler sütü kaynatacak, şekerle karıştıracak, soğumasını bekleyecek ve ardından karışımı dondurucuya koyacaktı.
Mpemba Etkisi Nedir?
Dondurucuda yer kalmayacağından endişelenen Erasto, karışımın tamamen soğumasını beklemeden kabını dondurucuya koydu. Yaklaşık bir buçuk saat sonra ise şaşırtıcı bir şey fark etti. Onun dondurma karışımı, arkadaşlarınınkinden önce donmuştu.
Bir süre sonra okul müdürü, Dar es Salaam’daki University College’dan fizikçi Denis Osborne’u okula davet etti. Dersin soru-cevap bölümünde Erasto, gözlemlediği bu durumu dile getirdi. Ancak sorusu, öğretmenlerinin ve arkadaşlarının alaylı tepkileriyle karşılandı:
“Eşit miktarda su içeren iki aynı kap düşünün. Biri 35°C, diğeri 100°C sıcaklıkta olsun. Bu kapları dondurucuya koyduğunuzda, başlangıçta 100°C olan su daha önce donar. Neden?”
Profesör bu sorunun cevabını bilmiyordu. Hatta Mpemba’nın anlattığının doğru olup olmadığından bile emin değildi. Ancak konu ilgisini çekti. Laboratuvarına döndüğünde deneyler yaptı ve lise öğrencisinin haklı olduğunu ortaya koydu.
1969 yılında birlikte bu etkiyi açıklayan bir makale yayımladılar ve böylece Mpemba’nın adı bilim literatürüne geçti.
Aslında Mpemba bu olguyu keşfeden ilk kişi değildi. Çok daha önce Aristoteles, insanların “suyu hızlı soğutmak istediklerinde önce güneşe koyduklarını” gözlemlemiş ve suyun önceden ısıtılmış olmasının daha hızlı donmasına katkı sağladığını öne sürmüştü.
İngiliz filozof Francis Bacon (1561–1621) da “ılık suyun, tamamen soğuk sudan daha kolay donduğunu” belirtmişti. Benzer şekilde Fransız düşünür René Descartes (1596–1650), “uzun süre ısıtılmış suyun diğer sudan daha hızlı donduğunun deneyimle görülebileceğini” yazmıştı.
Mpemba Etkisi Neden Kaynaklanıyor?
Bu durumu deneyle açık ve net biçimde ortaya koymak sanıldığı kadar kolay değildir. Asıl sorun, “donmak” kavramının belirsizliğidir. Sıfır derece Celsius mu? Yoksa suyun buz oluşturmaya başladığı an mı? Ya da bir kaptaki tüm içeriğin tamamen buz haline gelmesi mi?
Mpemba ve Osborne, makalelerinde bunu ilk buz kristallerinin oluşması için geçen süre olarak tanımlamıştır. Ancak bu durum, özellikle kapalı bir buzdolabında, gözlemlenmesi kolay değildir.
Soru netleştirildikten sonra bile deney düzeninde değiştirEcek birçok parametre vardır. Bu nedenle Mpemba paradoksunun hâlâ araştırılmakta olması ve uzmanların bu olguyu açıklama konusunda fikir birliğine varamamış olması şaşırtıcı değildir. Bu konuda çeşitli açıklamalar öne sürülmüştür.
Bunlardan biri buharlaşmadır: Kaplar açık bırakılırsa, sıcak su soğuk suya göre daha hızlı buharlaşır ve hacmi azalır. Daha az hacme sahip suyun kaybetmesi gereken ısı da daha azdır, bu yüzden daha hızlı soğur. Bu durumda sıcak suyun önce donmasının nedeni, miktarının daha az olmasıdır.
Bir diğer açıklama, sıcak suyun genellikle soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz içermesidir. Bu durum, suyun ısı iletme kapasitesini etkiler ya da donma noktasını önemli ölçüde değiştirir.
Üçüncü bir açıklama ise taşınım (konveksiyon) ile ilgilidir. Genel olarak sıcaklık yükselir; bu nedenle kabın üst kısmı ortalama sıcaklıktan daha sıcaktır. Isı çoğunlukla yüzeyden kaybedildiği ve yüzey diğer kısımlardan daha sıcak olduğu için, ortalama sıcaklığa bakılarak tahmin edilenden daha hızlı ısı kaybı gerçekleşir.
Böylece, “daha sıcak” kabın ortalama sıcaklığı “daha soğuk” kabın başlangıç sıcaklığına düşmüş olsa bile, üst kısmı hâlâ daha sıcak kalır. Bu da daha hızlı soğumaya devam etmesini sağlar ve donma sürecinde diğer kabı geçmesine yol açar.
Son olarak, su sıfır derece Celsius’ta sıvı halde kalır ve ancak daha düşük bir sıcaklıkta donar. Bu olaya “aşırı soğuma” (supercooling) denir. Başlangıçta sıcak olan suyun, soğuk suya göre daha az aşırı soğumaya uğraması ve bu nedenle daha önce donması mümkündür.
Sonuç Olarak
Nedenini kesin olarak henüz bilemesek de, Mpemba paradoksunun bazı pratik uygulamaları da vardır. Örneğin, dondurma üreticileri karışımları henüz sıcakken dondurursa daha hızlı sonuç alırlar. Bunun dışında, kışın bir araba sıcak suyla yıkanmamalıdır çünkü sıcak su daha hızlı donacaktır.
Buna karşılık, bir buz pateni pisti sıcak suyla doldurulmalıdır çünkü daha hızlı donar. Ayrıca, restorandan kalan yemekleri buzdolabına koymadan önce soğumasını beklememek gerekir.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- New Study Could Explain The Elusive Reason Hot Water Freezes Faster Than Cold. Yayınlanma tarihi: 27 Ekim 2017; Bağlantı: https://www.sciencealert.com/
- Burridge HC, Linden PF. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Sci Rep. 2016 Nov 24;6:37665. doi: 10.1038/srep37665. PMID: 27883034; PMCID: PMC5121640.
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
