Kas olete kunagi mõelnud, miks 82 kraadini kuumutatud vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Tõenäoliselt mitte, olen isegi enam kui kindel, et teile pole kunagi tulnud küsimust: milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm?
Selle hämmastava avastuse tegi aga tavaline Aafrika koolipoiss Erasto Mpemba juba 1963. aastal. See oli uudishimuliku poisi tavaline kogemus, loomulikult ei osanud ta oma sõna tähendust õigesti tõlgendada ja pealegi ei suutnud teadlased kogu maailmast kuni 1966. aastani selget ja põhjendatud seisukohta anda. vastus küsimusele - miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm.
Külmas vees on palju lahustunud hapnikku, just tema hoiab vee külmumistemperatuuri 0 kraadi juures. Kui veest hapnik eemaldatakse ja nii juhtub vee soojendamisel, lahustuvad õhumullid vees, nagu praegu on moes öelda, kukuvad kokku, muutub vesi jääks mitte null kraadi juures nagu tavaliselt, ja juba 4 °C juures. See on vees lahustunud hapnik, mis lõhub veemolekulide vahelisi sidemeid, takistades vee muutumist vedelast tahkeks olekuks ja see lihtsalt muutub
1963. aastal esitas Tansaania koolipoiss nimega Erasto Mpemba oma õpetajale rumala küsimuse – miks külmus tema sügavkülmas soe jäätis kiiremini kui külm?
Tansaanias Magambi keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilist tööd kokana. Tal oli vaja teha omatehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui etteantud tehnoloogia järgi valmistatud seltsimeeste piim.
Ta pöördus selgituste saamiseks füüsikaõpetaja poole, kuid ta ainult naeris õpilase peale, öeldes järgmist: "See pole universaalne füüsika, vaid Mpemba füüsika." Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega.
Igal juhul küsis ta juba Mkwava keskkooli õpilasena professor Dennis Osborne’ilt Dar Es Salaami ülikooli kolledžist (kooli direktor kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse veekogusega nii, et ühes neist oleks vee temperatuur 35 °C ja teises - 100 °C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks?" Osborne tundis selle probleemi vastu huvi ja peagi, 1969. aastal, avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nimetatud Mpemba efektiks.
Kas olete huvitatud sellest, miks see juhtub? Vaid paar aastat tagasi õnnestus teadlastel seda nähtust selgitada...
Mpemba efekt (Mpemba paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt kulub samades tingimustes rohkem kuumutatud kehal teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui vähem kuumenenud kehal sama temperatuurini jahtumiseks.
Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja seda on hiljem praktikas korduvalt kinnitatud. Selle mõjul jahtub vesi temperatuuriga 100 °C temperatuurini 0 °C kiiremini kui sama kogus vett temperatuuriga 35 °C.
Sellest ajast peale on avaldatud erinevaid versioone, millest üks oli järgmine: osa kuumast veest aurustub esmalt lihtsalt ära ja siis, kui seda vähem järele jääb, külmub vesi kiiremini. See versioon sai oma lihtsuse tõttu kõige populaarsemaks, kuid ei rahuldanud teadlasi täielikult.
Nüüd ütleb Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlaste meeskond eesotsas keemik Xi Zhangiga, et nad on lahendanud igivana mõistatuse, miks soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Nagu Hiina eksperdid on välja selgitanud, peitub saladus veemolekulide vahelistes vesiniksidemetes talletatud energia hulgas.
Nagu teate, koosnevad veemolekulid ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed, mis osakeste tasemel näeb välja nagu elektronide vahetus. Teine tuntud tõsiasi on see, et vesinikuaatomeid tõmbavad hapnikuaatomid naabermolekulidest – tekivad vesiniksidemed.
Samal ajal veemolekulid üldiselt tõrjuvad üksteist. Singapuri teadlased märkasid: mida soojem on vesi, seda suurem on vedeliku molekulide vaheline kaugus tõukejõudude suurenemise tõttu. Selle tulemusena venivad vesiniksidemed ja säilitavad seetõttu rohkem energiat. See energia vabaneb vee jahtumisel – molekulid liiguvad üksteisele lähemale. Ja energia vabanemine, nagu teada, tähendab jahutamist.
Siin on teadlaste oletused:
Aurustumine
Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100°C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0°C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks väheneb jahutamiseks vajaliku vee mass. Ja teiseks, aurustumise tõttu väheneb selle temperatuur.
Temperatuuri erinevus
Kuna kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem, on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.
Hüpotermia
Kui vesi jahtub alla 0 °C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril -20°C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub ülejahutamine seni, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid tekiksid spontaanselt. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades lörtsijää, mis külmub jääks. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Ülejahutamata külma vee puhul juhtub nii: selle pinnale tekib õhuke jääkiht, mis toimib vee ja külma õhu vahel isolaatorina ning takistab seeläbi edasist aurumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Ülejahutusega kuuma vee korral ei ole ülejahutatud veel kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini. Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon
Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuskadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 °C. Kui jahutate vett 4°C-ni ja asetate madalama temperatuuriga keskkonda, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Sellistes tingimustes tekib veepinnale lühikese aja jooksul õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, kaitstes alumisi veekihte, mille temperatuur jääb 4°C juurde. . Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tuues sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Aga miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks konvektsiooni seisukohalt oleks vaja eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 °C. Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsiooniprotsess.
Vees lahustunud gaasid
Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrgetel temperatuuridel madalam. Seetõttu sisaldab kuum vesi jahtudes alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad.
Soojusjuhtivus
See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikuosa sügavkülmikusse. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma vee anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust kuumus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata alt lund. Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti 100% taastootmise – ei saadud kunagi. Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, mille kohaselt suutis kuum vesi saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Praegu saab väita ainult üht: selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.
Aga nagu öeldakse, kõige tõenäolisem põhjus.
Nagu keemikud kirjutavad oma artiklis, mille leiab eeltrüki veebisaidilt arXiv.org, on vesiniksidemed kuumas vees tugevamad kui külmas vees. Seega selgub, et kuuma vee vesiniksidemetesse salvestub rohkem energiat, mis tähendab, et miinustemperatuurini jahutamisel eraldub seda rohkem. Sel põhjusel toimub kõvenemine kiiremini.
Praeguseks on teadlased selle mõistatuse lahendanud vaid teoreetiliselt. Kui nad esitavad oma versiooni kohta veenvaid tõendeid, võib küsimuse, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, pidada suletuks.
Mpemba efekt(Mpemba paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt kulub samades tingimustes rohkem kuumutatud kehal teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui vähem kuumenenud kehal sama temperatuurini jahtumiseks.
Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.
Tansaanias Magambi keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilist tööd kokana. Tal oli vaja teha isetehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui etteantud tehnoloogia järgi valmistatud seltsimeeste piim.
Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igal juhul küsis ta juba Mkwava keskkooli õpilasena professor Dennis Osborne’ilt Dar Es Salaami ülikooli kolledžist (kooli direktor kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse veekogusega nii, et ühes neist oleks vee temperatuur 35 °C ja teises - 100 °C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks? Osborne tundis selle probleemi vastu huvi ja peagi, 1969. aastal, avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates on nende avastatud efekti kutsutud Mpemba efekt.
Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.
Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja seda on hiljem praktikas korduvalt kinnitatud. Selle mõjul jahtub vesi temperatuuriga 100 °C temperatuurini 0 °C kiiremini kui sama kogus vett temperatuuriga 35 °C.
See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:
Aurustumine
Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.
Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks väheneb jahutamiseks vajaliku vee mass. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.
Temperatuuri erinevus
Tänu sellele, et sooja vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem, on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.
Hüpotermia
Kui vesi jahtub alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril –20 C.
Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub ülejahutamine seni, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid tekiksid spontaanselt. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades lörtsijää, mis külmub jääks.
Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.
Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, juhtub järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Ülejahutusega kuuma vee korral ei ole ülejahutatud veel kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.
Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd.
Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon
Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuskadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.
Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühikese aja jooksul õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, kaitstes alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem.
Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tõstes sooja vee kihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.
Aga miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast oleks vaja eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.
Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsiooniprotsess.
Vees lahustunud gaasid
Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrgetel temperatuuridel madalam. Seetõttu sisaldab kuum vesi jahtudes alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad.
Soojusjuhtivus
See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikuosa sügavkülmikusse. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma vee anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust kuumus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata alt lund.
Kõiki neid (nagu ka muid) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid selget vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti sajaprotsendilise taasesituse – ei saadud kunagi.
Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.
Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, mille kohaselt suutis kuum vesi saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.
Praegu saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.
On palju tegureid, mis mõjutavad seda, milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, kuid küsimus ise tundub veidi kummaline. Füüsikast on teada, et kuum vesi vajab jääks muutumiseks veel aega, et jahtuda võrreldava külma vee temperatuurini. Selle etapi saab vahele jätta ja vastavalt sellele võidab ta õigeaegselt.
Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub väljas kiiremini - külm või kuum - külma käes, teab iga põhjalaiuskraadide elanik. Tegelikult selgub teaduslikult, et igal juhul külm vesi lihtsalt külmub kiiremini.
Füüsikaõpetaja, kelle poole 1963. aastal koolipoiss Erasto Mpemba pöördus, arvas sama sooviga selgitada, miks tulevase jäätise külma segu külmumine võtab kauem aega kui sarnasel, kuid kuumal.
Toona õpetaja vaid naeris selle peale, aga füüsikaprofessor Deniss Osborne, kes omal ajal käis samas koolis, kus Erasto õppis, kinnitas katseliselt sellise efekti olemasolu, kuigi seletusi sellele siis polnud. 1969. aastal avaldati populaarteaduslikus ajakirjas nende kahe inimese ühine artikkel, mis kirjeldas seda omapärast efekti.
Sellest ajast peale, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm - oma nimi - Mpemba efekt ehk paradoks.
Loomulikult toimus selline nähtus varem ja seda mainiti ka teiste teadlaste töödes. See teema ei huvitanud mitte ainult koolilapsi, vaid omal ajal mõtlesid sellele ka Rene Descartes ja isegi Aristoteles.
Kuid nad hakkasid selle paradoksi lahendamise viise otsima alles kahekümnenda sajandi lõpus.
Nagu jäätise puhul, ei külmu katse ajal ainult tavaline vesi. Teatud tingimused peavad olema selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini – külm või kuum. Mis mõjutab selle protsessi kulgu?
Nüüd, 21. sajandil, on välja pakutud mitu võimalust, mis võivad seda paradoksi selgitada. Milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, võib sõltuda sellest, et selle aurustumiskiirus on kõrgem kui külmal veel. Seega selle maht väheneb ja mahu vähenedes muutub külmumisaeg lühemaks kui siis, kui võtaksime sama algmahu külma vett.
Milline vesi külmub kiiremini ja miks see juhtub, võib mõjutada eksperimendis kasutatud külmiku sügavkülmikus esineda võiv lumevooder. Kui võtta kaks mahult identset anumat, kuid ühes neist on kuum vesi ja teises külm, sulatab kuuma veega anum selle all oleva lume, parandades seeläbi termotasandi kontakti külmiku seinaga. Külma vee anum ei saa seda teha. Kui külmikukambris sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.
Samuti selgitatakse nähtust, mille kohaselt vesi külmub kiiremini – kuumalt või külmalt – järgmiselt. Teatud seadusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemistest kihtidest, kui kuum vesi teeb vastupidist – hakkab külmuma alt üles. Selgub, et külm vesi, mille peal on külm kiht, mille peal on kohati juba tekkinud jää, halvendab seega konvektsiooni ja soojuskiirguse protsesse, selgitades sellega, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum. Lisatud on fotod amatöörkatsetest ja see on siin selgelt näha.
Kuumus kustub, tormab ülespoole ja seal kohtub see väga laheda kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole absoluutselt selliseid takistusi. Kumb külmub kiiremini - külm või kuum, mis määrab tõenäolise tulemuse, saate vastust laiendada, öeldes, et igas vees on teatud aineid lahustunud.
Kui mitte petta ja kasutada sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Aga kui tekib olukord, kus lahustunud keemilised elemendid on ainult kuumas vees ja külmas vees neid pole, siis on kuumal veel võimalus külmuda varem. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained tekitavad kristallisatsioonitsentreid ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. On isegi võimalik, et vesi on ülejahutatud, selles mõttes, et miinustemperatuuril on see vedelas olekus.
Kuid kõik need versioonid ilmselt teadlastele täielikult ei sobinud ja nad jätkasid selle probleemi kallal tööd. 2013. aastal ütles Singapuri teadlaste meeskond, et nad on lahendanud igivana mõistatuse.
Rühm Hiina teadlasi väidab, et selle efekti saladus peitub energia hulgas, mis salvestub veemolekulide vahele selle sidemetes, mida nimetatakse vesiniksidemeteks.
Järgneb teave, mille mõistmiseks peate omama mõningaid teadmisi keemiast, et mõista, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teada, koosneb see kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.
Kuid ka ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.
Tasub meeles pidada, et samal ajal mõjuvad veemolekulid üksteisele tõrjuvalt. Teadlased märkisid, et kui vett kuumutatakse, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja seda soodustavad tõrjuvad jõud. Selgub, et kui hõivata külmas olekus molekulide vahel sama vahemaa, võib öelda, et need venivad ja neil on suurem energiavaru. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähemale liikuma, st toimub jahtumine. Selgub, et kuumas vees tekib suurem energiavaru ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahtumisel kiiremini kui külmas vees, mille energiavaru on väiksem. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Tänaval ja laboris peaks tekkima Mpemba paradoks ning kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.
Sellel lahendusel on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirjas ja tundub usutav. Kuid kui katseandmed selle kohta, mille kohta vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt - võetakse kasutusele ja nende tulemused esitatakse, võib Mpemba paradoksi küsimuse pidada lõpetatuks.
