Článek
Běžná situace. Za půl hodiny přijdou hosté, láhve se chladí a vy v mrazáku najdete prázdné tvořítko na led. Internet nabízí řešení, které zní jako fyzikální provokace: napusťte do něj horkou vodu. Údajně zmrzne rychleji než studená.
Selský rozum se začne bránit. Horká voda přece musí nejdřív projít všemi teplotami, na kterých už studená dávno byla. Je to podobné, jako by běžec startoval o kilometr za soupeřem a přesto dorazil do cíle první. Přesně tuto situaci popisuje Mpembův jev.
Jenže z vědecké kuriozity se na sociálních sítích stal kuchyňský návod, který slibuje více, než dovolují experimenty. Horká voda za určitých podmínek opravdu může vytvořit led dříve. Ve většině domácích mrazáků však sázíte spíše na náhodu než na fyzikální zkratku.
Zmrzlina, kvůli které se fyzikové začali hádat
Příběh začal v roce 1963 v Tanzanii. Školák Erasto Mpemba připravoval se spolužáky zmrzlinu z horké mléčné směsi. Protože v mrazáku ubývalo místo, vložil svou nádobu dovnitř bez obvyklého čekání na vychladnutí. Později zjistil, že jeho směs ztuhla dříve než chladnější směsi spolužáků.
Učitel mu nevěřil a spolužáci se mu posmívali „Mpembovou fyzikou“. Mpemba však pokus opakoval. Když školu navštívil fyzik Denis Osborne, položil mu stejnou otázku. Osborne ji neodmítl a nechal pokus prověřit na univerzitě.
V původním článku Cool? z roku 1969 Mpemba s Osbornem popsali pokusy, při nichž teplejší vzorky za některých nastavení začínaly mrznout dříve. Zároveň přiznávali, že výsledky nebyly jednoduché a mechanismus zůstával nejasný.
Tohle je možná na celém příběhu cennější než samotný led. Student si všiml něčeho, co odporovalo učebnici, a nenechal se odbýt větou, že se to stát nemůže. Fyzika se totiž nerozhoduje hlasováním ve třídě.
Horká voda neběží po stejné trati
Kdyby se dva naprosto stejné vzorky lišily pouze teplotou a během chlazení se nic dalšího nezměnilo, studenější voda by měla výhodu. Musí odevzdat méně tepla. Horká voda však cestou mění podmínky závodu.
Část se odpaří. V nádobě pak zbude méně vody, kterou musí mrazák ochladit a přeměnit na led. Teplotní rozdíly také rozjíždějí silnější proudění: teplejší voda stoupá, chladnější klesá a teplo se k povrchu i stěnám nádoby dopravuje jinak než ve vlažném vzorku.
Horká nádoba může na starším mrazicím povrchu rozpustit vrstvičku námrazy a získat lepší kontakt s podkladem. Ohřev současně mění množství rozpuštěných plynů a může ovlivnit nečistoty, na nichž začínají růst ledové krystaly. Odborný přehled Monwhey Jenga však ukazuje, že výsledky s plyny si navzájem odporují: některé pokusy je potřebovaly, jiné efekt zachytily po jejich odstranění.
Žádný z těchto mechanismů proto nefunguje jako univerzální vypínač. Spíše jde o partu drobných pomocníků, kteří se někdy sejdou ve správné směně. Odpařování může zmenšit objem, proudění zrychlit odvod tepla a povrch nádoby usnadnit vznik prvního krystalu. Jindy se jejich účinky nepotkají a studená voda vyhraje bez dramatu.
Nula stupňů ještě neznamená led
Největší zmatek vzniká u slova „zmrzne“. Máme měřit okamžik, kdy voda dosáhne nuly, chvíli, kdy se objeví první krystal, vznik souvislé vrstvy na hladině, nebo úplné ztuhnutí celé kostky? Každá odpověď může určit jiného vítěze.
Čistá a klidná voda totiž dokáže zůstat kapalná i pod nulou. Říká se tomu podchlazení. Molekuly už mají dost nízkou teplotu, ale chybí jim vhodné místo, od kterého by se začala stavět krystalická mřížka. Je to jako dav čekající před zamčeným stadionem: lidé dorazili, zápas však nezačne, dokud někdo neotevře bránu.
Právě rozdílné podchlazení sehrálo hlavní roli v pokusech Jamese Brownridge publikovaných v American Journal of Physics. Za pečlivě zvolených podmínek mu horký vzorek zmrzl první ve 28 z 28 pokusů. Studenější voda se však musela podchladit na výrazně nižší teplotu. Neprohrála při cestě k nule. Prohrála při čekání na začátek krystalizace.
Jiný tým došel k mnohem střízlivějšímu výsledku. Studie v časopise Scientific Reports z roku 2016 nenašla přesvědčivý důkaz, že by teplejší vzorky dosahovaly nuly rychleji. Autoři také ukázali, že posunutí teplotního čidla o pouhý centimetr může kvůli teplotním vrstvám ve vodě vyrobit zdánlivého vítěze.
Efekt lze vyrobit, nikoliv objednat
Spor tím neskončil. V roce 2020 výzkumníci záměrně zdrsnili stěny nádoby určené pro teplejší vzorek. Škrábance poskytly více míst, na nichž mohla začít krystalizace, a jev se podařilo opakovat. Pokus hezky ukázal, že horká voda může zvítězit. Zároveň jí však vědci připravili výhodnější startovní podmínky.
Počítačové simulace zveřejněné v roce 2025 v Communications Physics zase zachytily Mpembův jev v modelu vody bez nečistot. O výsledku rozhodovala doba, kterou systém strávil v nestabilním kapalném stavu před vznikem ledu. To podporuje představu, že minulost vzorku může ovlivnit jeho další chování.
Model vody v počítači však není plastové tvořítko vedle mraženého hrášku. Domácí výsledek ovlivní množství vody, tvar nádoby, umístění v mrazáku, proudění vzduchu, námraza, minerály i okamžik, který prohlásíte za zmrznutí. Stačí vyměnit polici a pokus může skončit opačně.
Má tedy horká voda smysl, když spěcháte na led?
Jako spolehlivý trik ne. Do horké vody jste dodali energii, kterou musí mrazák znovu odvést. Mpembův jev může tuto nevýhodu za zvláštních podmínek přebít, běžné tvořítko vám však správnou kombinaci odpařování, proudění a podchlazení nezaručí.
Rychlejší cestu představuje menší množství vody v menších přihrádkách. Tvořítko položte na skutečně studené místo, ne do dveří, a nechte kolem něj prostor pro proudění vzduchu. Jestli potřebujete kostky do koktejlů co nejdříve, použijte studenou nebo chladnou vodu. Má kratší cestu ke změně skupenství.
Mpembův jev si můžete nechat jako domácí experiment. Použijte dvě stejné nádoby, odvažte stejné množství vody, přesně určete, co znamená „zmrzla“, a pokus několikrát zopakujte s prohozenými pozicemi. Jediný večer vám totiž může ukázat spíše náladu mrazáku než přírodní zákon.
Horká voda tedy někdy opravdu může vytvořit led dříve než studená. Termodynamiku však nepřechytračila. Během závodu pouze změnila svou hmotnost, proudění nebo okamžik, kdy se spustila krystalizace. Na rychlý koktejl je to slabá záruka. Jako lekce o tom, jak opatrně zacházet s jednoduchými tvrzeními, funguje dokonale.
P.S.
Díky, že jste dočetli až sem! Až budete příště před příchodem návštěvy plnit prázdné tvořítko, vzpomeňte si, že zkratka s horkou vodou připomíná sázku na náladu mrazáku. Na podobných tématech mě baví právě okamžik, kdy jednoduchá internetová rada narazí na skutečný experiment a ukáže se, kolik drobností jsme cestou přehlédli. Jestli vás článek posunul nebo vám zpříjemnil cestu fyzikou všedního dne, budu rád za podporu. Pomůže mi psát další články, které převádějí zdánlivé paradoxy do srozumitelných obrazů a oddělují použitelnou radu od pěkně znějícího mýtu. I malý příspěvek pomůže.
