Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belki bilirsiniz. Bu olayın adı Mpemba etkisi olarak bilinmektedir. Peki neden Mpemba derseniz anlatmaya çalışalım…
Yüzyıllardır bilinen bu durum 1969 yılında Tanzanya’da Erasto Mpemba isimli bir ortaokul öğrencisinin dikkati sayesinde tekrar bilim dünyasının gündemine girmiştir. Doğal olarak da onun adı ile anılmaya başlanmıştır.
Hikayesi şu biçimde…
Erasto Mpemba ve arkadaşları zaman zaman okulda dondurma yapıyordu ancak öğrenciler arasında sınırlı kapasitesi olan buzlukta boş yer bulma yarışı vardı çoğunlukla. Erasto bir gün öne geçebilmek adına karışımını, soğumasını beklemeden, buz kalıbına döküp buzluğa yerleştirdi. Bir süre sonra kontrol ettiğinde kendi dondurmasının arkadaşlarınınkinden çok daha önce donduğunu fark etti…
Durumu fizik öğretmenine anlattığında sonuç alamasa da Erasto Mpemba denemeler yapmaya devam etti.
Birkaç yıl sonra fizik konusunda bir konuşma yapmak için okullarına gelen, Dr. Denis G. Osborne’a, bunun nedenini kendinden emin bir biçimde sordu. Dr. Osborne aynı deneyi üniversitede yaptığında benzer sonuçlar gözlemledi.
Dr. Denis G. Osborne ve Erasto Mpemba bu durumu ve nedenlerini Physics Education dergisinde yayımlanan çalışmalarında ele aldı.
Dr. Osborne’a göre soğuma temel olarak suyun yüzeyinde meydana geliyordu ve soğuma hızı suyun ortalama sıcaklığına değil yüzey sıcaklığına bağlıydı. Isının konveksiyonla dağılması sonucu suyun yüzeyi daha sıcak kalır (+4°C’ye kadar). Bu nedenle örneklerin ortalama sıcaklıkları eşit olduğunda bile başlangıçta daha sıcak olan su, soğuk olandan daha hızlı ısı kaybeder.
Ancak aşırı soğuk havalarda sıcak su borularının soğuk su borularından daha çabuk donduğu dikkate alınırsa, suyun yüzeyinde meydana gelen soğumanın bu durumun nedeni olamayacağını öne sürülebilir.
Bu çalışmadan sonra birçok bilim insanı Mpemba etkisinin nedenini anlamak için araştırmalar yaptı.
Bu çalışmaların en kapsamlılarından biri James D. Brownridge tarafından yapıldı. Çalışmada, su sıvı halden katı hale geçerken açığa çıkan ısının salınmaya başladığı zamanı “donma zamanı” olarak kabul edildi.
Çalışmada ısıtmanın suyun donma süresine etkisi, suyun içinde bulunan çözünmüş gazların, minerallerin ve başka maddelerin suyun donma sıcaklığını değiştirip değiştirmediği, buharlaşmanın sıvı miktarında neden olduğu değişimin etkisi incelendi.
Araştırmacılara göre başlangıçta daha sıcak olan suyun daha soğuk olana göre daha hızlı donması, ancak başlangıçta daha soğuk olan suyun aşırı soğumaya uğraması (aşırı soğuma suyun 0°C’nin altındaki sıcaklıklarda donmasıdır) ya da soğuk sudaki ilk buz kristallerinin oluştuğu çekirdekleşme sıcaklığının sıcak suyunkinden daha düşük olmasıyla mümkün olabilir.
Ancak su örneklerinin başlangıç sıcaklıkları dışında bütün deney koşulları aynı olduğu halde daha soğuk olan suyun aşırı soğumaya uğramasının sebebi ne olabilir?
Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden bir araştırma grubu ise bu problemin çözümünün su moleküllerinin yapısıyla ilgili olduğunu düşünüyor. Bu çalışma, ısıtma ile sudaki H-O kovalent bağında depolanan enerjinin salınma hızının, suyun başlangıç sıcaklığı ile katlanarak arttığını gösteriyor. Araştırmacılar Mpemba etkisinin başka maddelerde değil sadece suda gözlenmesinin nedeninin, bu etkinin suyun yapısıyla bağlantılı olduğunun bir kanıtı olduğunu düşünüyor.
Genellikle sıcaklık artışı ile maddelerin enerjisi artar ve içerdikleri bağlar uzar ve zayıflar. Ancak suda tam tersi bir durum gözlenir. Sıcaklık artışıyla kısalan ve sıkılaşan H-O bağı soğumayla birlikte enerjisini salar ve enerjinin salınma hızı suyun başlangıç sıcaklığıyla doğru orantılı olarak değişir. Suyun donma sürecini inceleyen araştırmacıların önündeki en büyük problem belki de tekrarlanabilir sonuçların elde edilememesi.
Konu ile ilgili 2017 yılında yapılan araştırma söz konusu etkinin oluşması için gerekli tam etkilerin neler olduğundan bahsetmiyor olsa da, soğumadan önce parçacıkların hareketine bir şey etkide bulunursa akışkanın sıcaklığındaki değişim hızının belirgin ölçüde etkilendiğini gösteriyor.
Bazı olası açıklamalar sunulsa da 2000 yıldan daha uzun süredir bilinen bu olgunun nedeninin hâlâ tam olarak anlaşılamaması ise hayli ilginç. Araştırmacıların bulguları birbirine ekler yapsa da nihai cevap henüz ortada yok gibi.
Anlaşılan o ki su molekülü küçük ve basit ama gizemli yapısıyla bizi şaşırtmaya devam edecek.
Kaynaklar:
Dr. Tuba Sarıgül, ” Mpemba Etkisi 2000 Yıllık Bulmaca Neden Çözülemiyor?” – Bilim ve Teknik Dergisi Mart 2014