Bir kaba sıcak, diğerine soğuk su koyup ikisini aynı anda dondurucuya bıraktığımızı düşünelim. Mantık bize soğuk suyun önce donacağını söyler. Ne de olsa sıcak suyun önce soğuk suyun sıcaklığına ulaşması gerekir. Ancak belirli koşullarda deneyler beklenmedik bir sonuç verir: Sıcak su, soğuk sudan önce donabilir.
Fizikte bu şaşırtıcı olaya Mpemba etkisi denir.. Üstelik bu modern bir gözlem değildir. Sıcak suyun daha hızlı donduğu yönündeki en eski yazılı gözlemlerden biri Aristoteles’e aittir. Kendisi buu gözlemi, antiperistasis adı verilen bir düşünceyle açıklamaya çalışmıştır. Bu düşünceye göre bir özellik, karşıtı tarafından kuşatıldığında daha güçlü hâle geliyordu. Başka bir deyişle soğuk, sıcaklığın etkisini artırabilirdi.
Aristoteles’in takipçileri bu görüşü yüzyıllar boyunca savundu. Hatta 15. yüzyılda bilim insanları, insan bedeninin kışın mı yoksa yazın mı daha sıcak olduğu konusunda bu düşünce üzerinden tartışıyordu.
Yaklaşık 1461 yılında İtalyan fizikçi Giovanni Marliani, ısıtılmış ve ısıtılmamış suyla deneyler yaptı. Gözlemleri sıcak suyun daha hızlı donabildiğini gösterdi. Sonraki yüzyıllarda Francis Bacon ve René Descartes da benzer sonuçlardan söz etti.
Ne var ki modern ısı kuramı geliştikçe bu eski gözlemler bilim dünyasının gündeminden çıktı. Çünkü sıcak suyun daha hızlı donması, ilk bakışta temel fizik bilgisiyle çelişiyor gibi görünüyordu. Mpemba etkisinin modern bilim dünyasına dönüşü, 1963 yılında Tanzanya’da yaşanan sıradan bir okul deneyiyle başladı.
Mpemba Etkisi Nedir?
Erasto Mpemba adlı öğrenci, arkadaşlarıyla birlikte dondurma hazırlıyordu. Öğrenciler sütü kaynatıp şekerle karıştırdıktan sonra soğumasını bekleyecek, ardından dondurucuya koyacaktı. Mpemba ise yerini kaybetmemek için sıcak karışımı bekletmeden dondurucuya yerleştirdi.
Bir süre sonra şaşırtıcı bir şey fark etti. Onun sıcak karışımı, ilk donan karışımdı. Mpemba bu durumu fizik öğretmenine anlattığında öğretmeni bunun imkânsız olduğunu söyledi. Fakat Mpemba emindi.
Bir süre sonra fizikçi Denis Osborne, Mpemba’nın okuluna bir konferans vermeye geldi. Mpemba, konuşmanın ardından ona sıcak suyun neden daha hızlı donduğunu sordu. Osborne bu soruya hemen yanıt veremedi ancak öğrencinin gözlemini de reddetmedi.
Üniversiteye döndüğünde bir teknisyenden deneyi tekrarlamasını istedi. Teknisyen de sıcak suyun önce donduğunu gördü. Sonucun bir hatadan kaynaklandığını düşünerek deneyi defalarca tekrarladılar. Ama sonuçlar uyumluydu.
Mpemba ile Osborne, araştırmalarını 1969 yılında Physics Education dergisinde yayımladı. Böylece sıcak suyun belirli koşullarda soğuk sudan daha hızlı donması, Mpemba etkisi adıyla bilimsel literatüre girdi.
Mpemba Etkisi Nasıl Açıklanır?
Aynı miktarda su içeren iki kap düşünelim. Birindeki su 20°C, diğerindeki ise 60°C olsun. 20°C’deki suyun 10 dakikada donduğunu varsayalım. Sıcak su 60°C’den 20°C’ye beş dakikada inerse donmak için 10 dakikaya daha ihtiyaç duyar. Bu basit hesaba göre sıcak suyun toplam 15 dakikada, soğuk suyun ise 10 dakikada donması gerekir.
Ancak deney sırasında sıcak ve soğuk su aynı koşullarda kalmaz. Sıcak suyun bir bölümü buharlaşır. Böylece kapta daha az su kalır ve dondurucunun daha az miktarda suyu dondurması gerekir. Sıcak suyun içindeki hareket de ısının çevreye daha hızlı aktarılmasını sağlar.
Kabın yapısı, dondurucudaki hava dolaşımı ve suyun buz oluşturmaya başladığı sıcaklık da sonucu değiştirir. Bu etkenler bir araya geldiğinde sıcak su, bazı deneylerde soğuk sudan önce donmaya başlar.
Yine de sıcak su her zaman daha hızlı donmaz. Mpemba etkisi yalnızca belirli koşullarda ortaya çıkar. Bir grup araştırmacı 2016 yılında kontrollü bir çalışma yürüttü. Ekip, başlangıç sıcaklığı dışındaki bütün koşulları aynı tutmaya çalıştı ancak sıcak suyun 0°C’ye soğuk sudan daha kısa sürede ulaştığını gösteren anlamlı ve tekrarlanabilir bir kanıt bulamadı.
Günümüzde fizikçiler Mpemba etkisi kavramını yalnızca su için kullanmıyor. Bazı fiziksel sistemler, başlangıçta daha sıcak olduklarında dengeye daha hızlı ulaşıyor. Belirli matematiksel modeller de bu tür Mpemba benzeri davranışların gerçekten ortaya çıkabildiğini gösteriyor.
Mpemba Etkisi Günlük Hayatta Karşımıza Çıkar mı?
Mpemba etkisi yalnızca laboratuvar deneylerinde karşımıza çıkmaz. Soğuk ülkelerde yaşayan insanlar, gıda üreticileri ve buz pisti çalışanları sıcak suyun bazı koşullarda daha hızlı donduğunu uzun zamandır gözlemliyor. Ancak bu örneklerin hepsinde aynı neden rol oynamıyor.
İnternette bunun en dikkat çekici örneklerinden birine sıkça rastlarız. Çok soğuk havalarda sıcak suyu havaya attığımızda büyük bir buz bulutu oluşur.
Havadaki hareket sıcak suyu küçük damlalara ayırır ve damlalar hızla buharlaşır. Buharlaşma çevreden büyük miktarda ısı çektiği için kalan damlalar kısa sürede buz kristallerine dönüşür. Soğuk su ise yeterince hızlı buharlaşmaz ve çoğunlukla sıvı hâlde yere düşer.
Bu etki günlük hayatta kar makineleri, dondurma üretimi ve buz pistleriyle ilişkilendirilir. Yine de bu örneklerde yalnızca başlangıç sıcaklığı rol oynamaz. Örneğin buz pisti çalışanları sıcak suyu daha hızlı donduğu için değil, yüzeye daha iyi yayılarak düzgün ve şeffaf bir buz tabakası oluşturduğu için tercih eder.
Mpemba’nın öyküsü, basit bir gözlemin önemli bir bilimsel soruya dönüşebileceğini gösterir. Beklentilerimize uymayan bir sonuçla karşılaştığımızda onu hemen reddetmek yerine hangi koşulların sonucu değiştirdiğini araştırmamız 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, Henry & Linden, Paul. (2016). Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports. 6. 37665. 10.1038/srep37665.
- Holtzman, R., Raz, O. Landau theory for the Mpemba effect through phase transitions. Commun Phys 5, 280 (2022). https://doi.org/10.1038/s42005-022-01063-2
Matematiksel
