Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar mı? Başta apaçık bir cevabı olduğu düşünülebilen ve hatta saçma gelen bu sorunun cevabı sizi şaşırtabilir; çünkü bu cevap bazen evet bazen ise hayırdır. Aynı koşullarda bulunan ve tek değişken sıcaklık olan sıcak suyun, soğuk sudan daha hızlı donduğu bu fenomen Mpemba etkisi olarak biliniyor.
Mpemba Etkisinin Tarihi
Mpemba etkisi, adını 1963’te keşfeden Tanzanyalı bir öğrenci olan Erasto Bartholomeo Mpemba’dan alıyor. Ancak 1963’te doğrulanan bu fenomenin bilinirliğinin kökeni çok daha eskilere, antik çağlara dek gidiyor. Aristotle’dan, Bacon ve Descartes gibi ünlü düşünürlere dek bu durum tarih boyu birtakım dikkatli gözün ilgisini çekmiş.
Bu fenomene dair bilinen en eski ifade, Aristoteles’un öne sürdüğü “Suyun önceden ısıtılmış olması, hızlı bir şekilde donmasına katkıda bulunur; çünkü daha çabuk soğur. Bu nedenle, birçok insan, sıcak suyu hızlı bir şekilde soğutmak istediğinde, işe güneşin altına koyarak başlar.” ifadesidir.
Daha sonraları 1461 civarında, fizikçi Giovanni Marliani, nesnelerin nasıl soğuduğu üzerine olan bir tartışmada, sıcak suyun soğuktan daha hızlı donduğunu test ettiğinden bahsetti. Soğuk bir kış gününde dört ons (yaklaşık olarak 0,11 litre) kaynar su ve dört ons ısıtılmamış su aldığını, bunları benzer kaplarda dışarıya koyduğunu ve kaynamış suyun daha önce donduğunu gözlemlediğini söyledi. Ancak Marliani bu olayın nedenini açıklayamadı.
1620’de filozof Francis Bacon, bir yazısında “Biraz ılık su, soğuktan daha kolay donar” ifadesinde bulundu. Bundan daha sonra Descartes, “Deneyler uzun süre ateşte tutulan suyun diğer sulardan daha çabuk donduğunu göstermektedir.” diye yazdı.
Bu fenomen, daha sonraları da bahsi geçmeye devam etse dahi, Mpemba’nın 1969’da New Scientist’a yazmasına dek bir halk masalı gibi dilden dile dolaşıp duran bir hikayeydi. Bilimsel bir bilgi olarak geçmiyor ve pek çokları tarafından ciddiye alınmıyordu. Mpemba, ilk defa 1963’te dondurma yaparken sıcak su ve donma arasındaki bu bağlantıyı keşfetti.
Mpemba’nın Hikayesi
1963 yılında Mpemba, okulda, kaynayan sütü şekerle karıştırarak dondurma yapıyordu. Buzdolabına koymadan önce sütün soğumasını beklemesi gerekiyordu, ancak buzdolabında acil yer gerektiği için sütünün soğumasını bekleyemeden buzdolabına koydu. Sonrasında şaşırarak fark etti ki, sıcak sütü diğer öğrencilerinkinden önce donarak dondurmaya dönüşmüştü. Fizik öğretmenine giderek buna dair bir açıklama istedi, fizik öğretmeni ise bunun olmayacağını Mpemba’nın muhtemelen kafasının karıştığını söyledi.
Mpemba, o anda öğretmenine inansa da o yıl Tanga kasabasında dondurmacılık yapan bir arkadaş edindi. Arkadaşı Mpemba’ya, dondurma yaparken henüz sıcak iken dondurmaları daha hızlı donmaları için buzdolabına koyduğunu söyledi. Mpemba, Tanga’daki diğer dondurma satıcılarının da aynı uygulamayı yaptığını duydu.
Daha sonra, lisedeyken, Mpemba, Newton’un soğuma yasasını öğrendi. Mpemba öğretmenine, dondurucuya koyarken soğuk sütten önce neden sıcak sütün donduğunu sordu. Öğretmen, Mpemba’nın kafasının karışmış olması gerektiğini söyledi. Mpemba tartışmaya devam ettiğinde, öğretmen “Tek söyleyebileceğim, Mpemba’nın fiziği ve evrensel fizik değil” dedi ve bundan sonra öğretmen ve sınıf, Mpemba’nın matematik ve fizikteki hatalarına “Bu Mpemba’nın matematiğidir, fiziğidir” diyecek ve dalga geçeceklerdi. Ancak Mpemba bunlara aldırmayacak, okulunun biyoloji laboratuvarında sıcak ve soğuk suyla deneyler yapacak, sıcak suyun daha erken donduğuna bir kez daha ikna olacaktı.
Bir gün, fizik profesörü olan Dr. Osborne, Mpemba’nın lisesini ziyaret etti. Mpemba, ondan sıcak suyun soğuk sudan önce neden donduğunu açıklamasını istedi. Dr Osborne, herhangi bir açıklama düşünemediğini, ancak deneyi daha sonra deneyeceğini söyledi. Laboratuvarına döndüğünde, genç bir teknisyenden bu iddiayı test etmesini istedi. Teknisyen daha sonra , sıcak suyun önce donduğunu bildirdi ve “Ama doğru sonucu elde edene kadar deneyi tekrar etmeye devam edeceğiz” dedi. Ancak tekrarlanan testler aynı sonucu verdi ve 1969’da Mpemba ve Osborne bu konudaki deneylerini yayımladılar.
Mpemba’nın hikayesi, bilim adamlarını ve öğretmenleri, neyin imkânsız olduğu konusunda hızlı kararlar vermemeleri ve öğrencilerini küçümsememeleri konusunda uyaran eğitici bir hikaye olarak görülmeli ve dikkate alınmalıdır.
Sıcak Su, Neden Soğuk Sudan Daha Hızlı Donar?
Kafası karışan okuyucular için tekrar belirtmemiz gerekiyor ki, bu etki her sıcaklıkta veya her koşulda görülen bir fenomen değildir. Üstelik suyun donma olayını karakterize derken yalnızca sıcaklığını hesaba katmak ve elbette 1 derece 90 dereceden daha hızlı donacaktır demek, tembel bir varsayım olacaktır.
Mpemba fenomeninin varlığı kabul görse dahi, neden gerçekleştiği hakkında tam olarak bir uzlaşma gerçekleştirilememiştir. Peki insanlığı uzaya çıkartabilen ya da maddenin en küçük yapı taşını inceleyen modern bilim, suyun donması hakkındaki bu görünüşte basit soruyu neden yanıtlamadı?
Temel sorun, suyun donması için geçen sürenin; kabın şekli ve boyutu, soğutma ünitesinin şekli ve boyutu, gaz ve kirlilik içeriği gibi deneysel kurulumdaki bir dizi ayrıntıya oldukça duyarlı olmasıdır. Problemde çok sayıda deneysel çeşitlilik bulunduğundan dolayı herhangi bir girdinin etkisini ölçmek oldukça zorlaşmaktadır. Bu nedenle, henüz Mpemba fenomenini açıklayacak tek bir mekanizma yok ancak fenomeni etkilediği düşünülen farklı mekanizmalara bir göz atabiliriz.
-Buharlaşma:
Başlangıçta daha sıcak olan su, başlangıçta daha soğuk olan suyun başlangıç sıcaklığına soğuduğu için, buharlaşma nedeniyle önemli miktarda su kaybedebilir. Azaltılmış kütle, suyun soğumasını ve donmasını kolaylaştıracaktır. Bu açıklama sezgisel olarak oldukça mantıklı gelir ve çoğu durumda buharlaşma önemlidir. Ancak tek başına bu mekanizmayı geçerli saymayız çünkü buharlaşma olmadan, hiçbir kütlenin kaybolmadığı kapalı kaplarda yapılan deneylerde de Mpemba etkisi gözlenmiştir.
-Gazların Çözünürlüğü:
Sıcak su, soğuk suya kıyasla daha az çözünmüş gaz tutar. Bu olayın konveksiyon akımlarını ve dolayısıyla soğutmayı kolaylaştırarak veya donma/ kaynama noktasını değiştirdiği ve benzeri nedenlerle bir şekilde donmayı hızlandırdığını ortaya koyan deneyler olsa da henüz bu iddia, teorik hesaplamalarla desteklenememiştir.
-Konveksiyon:
Konveksiyon, diğer adı ile taşınım bir ısı transferi çeşididir. Akışkan ve katı yüzey arasında ısı transfer edilir. Sıcak sudaki daha yüksek konveksiyon buz kristallerin etrafa daha hızlı yayılmasını sağlayabilir. Daha düşük sıcaklıkta olan su, üstten donma eğilimi göstererek hava konveksiyonuyla daha fazla ısı kaybının önüne geçebilirken; daha sıcak su, suyun konveksiyonu nedeniyle alttan ve yandan donma eğiliminde olacaktır. Böylece tam donma daha hızlı gerçekleşebilir.
-Kristal Yapı:
Daha sıcak olan suda, diğerine nispeten daha yüksek bulunan su hexameri hali daha hızlı kristalleşmeye yol açabilir.
-Çevre Etkisi:
Nispeten daha sıcak su ve soğuk suyun ısıtılması arasındaki bazı etkenler de suyun kendisi değil, çevredeki ortamdan kaynaklanıyor olabilir. Başlangıçta daha sıcak olan su, etrafındaki ortamı karmaşık bir şekilde değiştirebilir ve dolayısıyla soğutma sürecini etkileyebilir. Ancak bu bütünüyle açıklayıcı ve genel olmayan bir etkendir.
Kaynakça:
https://edu.rsc.org
http://math.ucr.edu
https://web.archive.org/
