Suyun ilginçlikleri saymakla bitmez. Bu yazıda bunlardan birini daha öğreneceğiz. Öncelikle iki özdeş bardak su alın. Birini ılık suyla, diğerini soğuk suyla doldurup dondurucuya koyun. Mantıken soğuk olanın daha önce donmasını beklersiniz. Ancak aslında yanılıyorsunuz. Birçok durumda ilk donan ılık su olacaktır. Aristoteles zamanından beri bilinen ve sizin gibi düşünürleri de şaşırtan bir durum Mpemba etkisi olarak bilinmektedir.
Biri 20°C ve diğeri 60°C’de özdeş bardaklarda bulunan aynı miktarda suyunuz olduğunu varsayalım. Her ikisini de aynı biçimde soğutalım. Soğuk olanın donmasının 10 dakika ve sıcak 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! Bazen tam tersi gerçekleşmektedir.
Mpemba Etkisi Nedir?
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.
Başlangıçta konuya şüpheci yaklaşsa da, Osbourne daha sonra gözlemleri doğruladı. İkili 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 gözlemlendi. Sonrasında da Mpemba etkisi için çeşitli açıklamalar yapıldı. Bildiğimiz şey bu etkinin sadece su ile yapılan çalışmalarda ve bazı durumlarda gerçekleşmekte olduğu. Bu nedenle etkinin olası nedenini bulmak için araştırmacılar suyun yapısına odaklanmak zorunda kalacaklardı.
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 bilim camiası, Mpemba etkisinin kesin nedeni hakkında bir karar birliğine varamamaktadır.
Mpemba Etkisi Neden Kaynaklanıyor?
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 açıklamasıdır. Ancak unutmayalım. Bu açıklama da henüz fikir birliğine varılmamıştır.
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 simülasyonlar, 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 yukarıdaki gibi olabilir. Ancak doğru koşulları elde edemezseniz ıslanma riskiniz olduğunu 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
