Zmrzne dříve teplá nebo studená voda?

3. červen 2008 | 17.15 |

V pokusu vidíme, co se stane s horkou vodou, když ji roztříkneme do mrazivého vzduchu (cca –20°C). Okamžitě zmrzne. Dokonce zmrzne rychleji, než voda, která by za stejných podmínek byla chladnější.

Tento jev znal již Aristoteles: obyvatelé Pontu (Turecko) při zimním rybolovu nejdříve rozlili větší množství horké vody kolem děr vysekaných do zamrzlého jezera, a pak si v rychle vznikajícím ledu upevnili své rákosové udice.
Po něm se problémem tuhnutí horké vody zabýval v zimě roku 1461 Giovanni Marliani. V mrazivý den vzal po čtyřech uncích vařící a studené vody, a podívejme – vařící voda zmrzla dříve! A pak tento jev potvrdil i René Descartes.

Koncem šedesátých let minulého století si tanzanský školák Erasto Mpemba všiml, že při časté výrobě zmrzliny ve školní kuchyňce výchozí směs (jejíž nedílnou součástí bylo horké převařené mléko) "zmrzne" rychleji, jestliže se dá do mrazáku ihned, bez předchozího chlazení na vzduchu. Pozorovaný jev mu zajistil nesmrtelnost - nazývá se totiž Mpembův efekt.

Tento jev neplatí obecně, ale pouze za určitých podmínek.
Různé polopravdivé argumenty, které vysvětlují tento paradoxní jev:
Vypařování. Při ochlazování se voda zároveň odpařuje z volného povrchu (tam, kde je v přímém kontaktu s okolím). Jestliže byla původně teplejší, vypařuje se intenzivněji a vlastně jí už začne mrznout menší množství. Poněvadž doba tuhnutí je úměrná množství vody, lze dřívější mrznutí teplejší vody snadno vysvětlit.
Má to však jeden háček: teplejší voda někdy zmrzne rychleji i v uzavřené nádobě, z níž se nemůže vypařit.
Proudění. V průběhu ochlazování může ve vodě, popř. na jejím povrchu vzniknout proudění. Příčina může být dvojí: závislost hustoty vody na teplotě (vztlaková konvekce), nebo změna povrchového napětí vody závisející na teplotě (Marangoniho proudění). Přitom platí, že čím vyšší je počáteční teplota vody, tím vydatnější může být proudění. Těmito makroskopickými pohyby se voda promíchává a teplo z jejího objemu se přenáší ke stěnám nádoby. Může se pak stát, že jsou hranice systému teplejší než teplota uvnitř objemu, a tím se odvod tepla zrychlí.
Změna složení. Ve vodě je obvykle rozpuštěno jisté množství okolního vzduchu. Jestliže systém zahřejeme na vyšší teplotu, rozpuštěné plyny začnou unikat do okolí. V teplejší vodě je tedy mnohem méně vzduchu než ve studené. Podle obhájců Mpembova jevu může taková změna složení vody posunout její bod tuhnutí, nebo přinejmenším ovlivnit její vlastnosti z hlediska vedení tepla.

Zřejmě skutečné argumenty:
Změna skupenství vody je podmíněna vznikem mikroskopických zárodků ledu (klastrů) v důsledku dostatečně velkých fluktuací. K tomu je nutno vynaložit určitou energii, kterou je pak možno chápat jako bariéru přechodu bránící vodě zmrznout hned po dosažení teploty 0 °C. Velikost podchlazení fyzikálně souvisí s mírou metastability původní fáze. Příčinou podchladitelnosti vody jsou její strukturní vlastnosti – ke stavbě ledu máme prostě k dispozici nevhodné "stavební bloky". Jestliže se má led začít tvořit i za vyšších teplot, je nutno tyto nevhodné stavební bloky rozbít – nejlépe tím, že vodu prostě zahřejeme.

Z uvedených skutečností plyne, že různým počátečním teplotám vody odpovídají různé teploty počátku mrznutí, při kterých se objeví první krystalky ledu. Teplejší voda je "jiná" než studená, začíná mrznout při vyšší teplotě a může někdy zamrznout i dříve než studená. Jedna z hlavních příčin tkví v její "geometrii": Základní strukturní prvky vody (tzv. uspořádání na krátkou vzdálenost) vykazují ikosaedrální rysy (podle platónských těles je ikosaedr dvacetistěn)

Zpět na hlavní stranu blogu

Komentáře

RE: Zmrzne dříve teplá nebo studená voda? brumlič 11. 04. 2012 - 11:46
RE(2x): Zmrzne dříve teplá nebo studená voda? a.c.dupin 15. 04. 2012 - 15:10