Kimya

Mpemba Etkisi: Sıcak Su Soğuk Sudan Neden Daha Hızlı Donar?

Suyun ilginçlikleri saymakla bitmiyor. İki özdeş bardak alır birini ılık suyla, diğerini soğuk suyla doldurup dondurucuya koyarsanız, mantıken soğuk olanın daha önce donmasını beklersiniz. Ancak aslında yanılırsınız. Aslında birçok durumda ilk donan ılık su olur. Aristoteles zamanından beri bilinen ve düşünürleri şaşırtan bir durum Mpemba etkisi olarak bilinmektedir.

Doğru koşullar altında, sıcak suyun soğuk olandan daha hızlı donduğu fikri aslında Rene Descartes ve Francis Bacon da dahil olmak üzere birçok bilim insanı ve doğa filozofu tarafından fark edilmişti. Ancak ilginç bir biçimde bu etki 1960’lara kadar çok az modern çalışmada yer aldı. Sonunda Erasto Mpemba adlı Tanzanyalı bir genç, ılık bir dondurma karışımının soğuk olandan daha çabuk donduğunu fark ettiğinde işler değişti. Neyse ki meraklı bir genç olan Erasto, okulunu ziyarete gelen Fizikçi Dr Denis G. Osbourne’a tuhaf gözlemini sorma fırsatı buldu.

Erasto Mpemba ve Professor Denis Osborne
Erasto Mpemba ve Professor Denis Osborne

Başlangıçta konuya şüpheci yaklaşsa da, Osbourne daha sonra gözlemleri doğruladı ve birkaç yıl sonra konu ile ilgili ortaklaşa bir yayın yaptılar. Bu sayede de birlikte etkinin varlığını doğruladılar. O zamandan beri bu etki, birçok deneysel çalışmada yeniden üretildi. O zamandan beri, Mpemba etkisi için çeşitli açıklamalar önerildi. Bildiğimiz şey bu etkinin sadece su ile yapılan çalışmalarda ve bazı durumlarda gerçekleşmekte olduğu. Bu nedenle etkinin olası nedenini bulmak için araştırmacılar suyun yapısına odaklandı.

Suyun donma sürecini inceleyen araştırmacıların önündeki en büyük problem belki de tekrarlanabilir sonuçların elde edilememesidir. Konu ile ilgili bazı açıklamalar kimyaya odaklanırken, bazı açıklamalar da fenomene fiziksel bir bakış açısı getirir. Ancak muhtemelen bu fenomenin doğru bir açıklaması disiplinler arası bir çalışma ile mümkün olacaktır. Bu nedenle Mpemba etkisinin kesin nedeni hakkında bir karar birliğine varamamaktadır.

Mpemba Etkisi Neden Kaynaklanıyor Olabilir?

Biri 20 ° C’ ve diğeri 60 ° C’de özdeş bardaklarda bulunan aynı miktarda suyunuz olduğunu varsayalım. Her ikisini de aynı biçimde soğutalım. Soğuk suyun donmasının 10 dakika sürdüğünü varsayalım. Ve ılık suyun 20 ° C’ye kadar soğumasının da 5 dakika sürdüğünü varsayalım. Bundan sonraki süreçte, bu suyun donması için 10 dakika daha geçmesi gerekir. Bu nedenle ılık suyun donması tamamen 5 dakika daha uzun sürmelidir. Ancak bu her zaman olmaz!

Mpemba etkisiyle ilgili teoriler arasında en yaygın kabul görenlerden birisi suyu bir arada tutan kimyasal kuvvetler ile ilgilidir. Her su molekülü 1 oksijen atomuna kovalent bağ denen özel bir kimyasal bağ türüyle bağlı 2 hidrojen atomundan oluşur. Bu bağ nedeniyle atomlar elektronlarını paylaşırlar. Birbirinden ayrı su molekülleri ise hidrojen bağları adı verilen daha zayıf bağlarla birbirlerine bağlanırlar. Bu bağ nedeniyle görülen kuvvetler, bir hidrojen atomu ile bir oksijen atomu birbirine yakın mesafedeyken oluşur.

Su ısıtıldığında, suyun yoğunluğunun azalması ve moleküllerin birbirinden uzaklaşmasından ötürü bu hidrojen bağları esnerler. Bunun sonucunda kovalent bağlar gevşer ve kısalırlar. Buna bağlı olarak da biriktirdikleri enerjiyi salarlar. Kovalent bağların biriktirdikleri bu enerjiyi salması, teknik olarak soğuma denilen süreç ile aynı şeydir. Dolayısıyla daha sıcak olan su, kendi içinden kaybettiği enerji dolayısıyla daha da hızlı soğur. Bu durum da Mpemba etkisinin olası bir açıklaması olabilir. Ancak unutmayalım. Bu açıklama fikir birliğine varılmış nihai cevap değil.

Konu Hakkında Başka Neler Biliyoruz?

Aslında Mpemba etkisinin açıklanamamasının nedeni belki de böyle bir etkinin gerçekte var olmamasıdır. 2016’da yapılan bir araştırma bu etkinin var olduğuna dair hiçbir kanıt bulamadığı sonucuna vardı. Sorunu incelemek için İspanyol araştırmacılar süreci daha net biçimde tanımladılar. Bir dondurucuya yerleştirilmiş, biri daha sıcak ve diğeri daha soğuk olan iki beher su düşünün. Mpemba etkisine göre sıcak olan, soğuk olandan daha erken sıfır dereceye ulaşacaktır. Ancak araştırmacılar, sıcaklığın tek önemli faktör olmadığını keşfettiler. Koşullar doğru olduğunda simülasyon modeli, sıcak örneğin soğuk olandan daha hızlı soğuyacağını gösterdi. Ancak aynı zamanda bunun tersi bir etki de ortaya çıktı. Soğuk olan da daha hızlı ısındı. Araştırmacılar bu durumu da ters Mpemba etkisi olarak adlandırdı.

Günümüzde konu ile ilgili araştırmalar devam etmekte ve elde edilen bulgular bir öncekilerin üzerine eklenmektedir. Anlaşılan o ki su molekülü küçük ve basit ama gizemli yapısıyla bizi şaşırtmaya devam edecek. Mpemba etkisinin arka planındaki süreçler daha tam netleşmese de bu etkiyi kendinizde gözlemlemek isterseniz çok soğuk bir havada kaynar suyu havaya atın. Sonuç aşağıdaki gibi olabilir. Ancak doğru koşulları elde edemezseniz ıslanma riskiniz olduğunuz da hatırlatalım.



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/
  • Hot water freezes faster than cold – and now we know why.; Bağlantı: https://www.iflscience.com
  • Ivar Olovsson; The Hydrogen Bond in Action; 2018 by World Scientific Publishing;
  • The Mpemba effect: why hot water freezes faster than cold; yayınlanma tarihi: 22 Ekim 2021; Bağlantı: https://cosmosmagazine.com/s

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.
Başa dön tuşu