Je pravda, že teplá voda zmrzne dřív než voda studená?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Instagram, Threads, Bluesky a zde na Médiu.

Jak píšete, tento fenomén se příčí naší intuici, nicméně je tomu opravdu tak. Teplá voda za určitých podmínek zmrzne rychleji než voda studená, jak bylo ověřeno mnoha experimenty. Ale proč?

Začněme příkladem. Vezmeme dvě stejné nádoby, které naplníme stejným množstvím vody. Vodu v jedné nádobě rovnoměrně zahřejeme na 70 °C, vodu v druhé nádobě necháme na pokojové teplotě, řekněme 25 °C. Předpokládejme, že studená voda (25 °C) potřebuje k zmrznutí deset minut. Intuice pak říká, že teplá voda (70 °C) se nejprve musí ochladit na teplotu studené vody a pak jí bude trvat deset minut, než zmrzne.

Závěr tohoto předpokladu je tedy jasný, teplá voda zmrzne za delší dobu než voda studená. Problém však je, že výsledek bude přesně opačný.

Příčina selhání přístupu za použití selského rozumu je v tom, že vodu v nádobách nemůžeme charakterizovat jen její teplotou. Když se původně teplá voda dostane na teplotu studené vody, ani zdaleka se totiž svým vnitřním složením a strukturou nepodobá studené vodě z druhé nádoby.

Tak například zchlazená voda v první nádobě může obsahovat méně rozpuštěných plynů nebo proudění uvnitř kapaliny může být zcela odlišné, což významně ovlivní teplotu skrz objem kapaliny. V důsledku těchto změn nemůžeme jednoduše tvrdit, že teplá voda zchlazená na 25 °C bude k zmrznutí potřebovat deset minut, tedy stejný čas, co potřebovala voda, která na této teplotě byla již od začátku experimentu.

Rychlejšího zmrznutí teplé vody za jistých podmínek si všiml v 60. letech minulého století africký chlapec jménem Mpemba, a tak tento dnes již označovaný Mpembův efekt znovuobjevil pro moderní vědu [1]. První zmínky o tomto efektu pocházejí již od Aristotela [2].

Mpembův efekt říká, že teplá voda může za jistých podmínek zmrznout rychleji, což bylo potvrzeno experimenty [3] i simulacemi [4]. Ale jelikož v těchto experimentech hraje roli velké množství různých faktorů a mnohé z nich se špatně kontrolují, nemáme konečnou odpověď na otázku, co je přesný mechanismus Mpembova efektu.

Víme jen, že svou roli hraje odpařování, rozpustnost plynů, konvekce (šíření tepla prouděním) a obsah rozpuštěných iontů (nabitých částic). Například v destilované vodě (voda bez rozpuštěných iontů a plynů) k efektu nedojde a podle očekávání studenější voda zmrzne rychleji než teplejší [5].

Závěrem můžeme říci, že jestli vás Mpembův efekt zaujal, máte jedinečnou šanci zkusit tuto dosud nerozlousknutou hádanku rozluštit, což je na vědě tak báječné! Tak hodně štěstí.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek

Ing. Vít Svoboda, Dr. sc. ETH Zürich, JILA — CU Boulder & NIST

Odbornou revizi poskytl Mgr. Jakub Martinka, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, J. Heyrovský Institute

Odpověď editovali Luděk Vašta a Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich, University of Colorado Boulder, Geological Sciences & Institute of Arctic and Alpine Research

[1] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/4/3/312

[2] Aristotle, E. W. Webster, „Meteorologica I“, Oxford U. P., Oxford, 1923, str. 348b–349a

[3] https://doi.org/10.1119/1.18059

[4] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp511752n

[5] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/4/6/114/meta

Projekt Zeptej se vědce propojuje vědeckou a nevědeckou veřejnost. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na webu nebo sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram či Bluesky. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422