Může voda zůstat kapalná i při teplotách pod bodem mrazu?

Zdálo by se, že co může být jednoduššího než nejběžnější látka na naší planetě – voda? Dva atomy vodíku, jeden kyslíku, jaké záhady to je! Někdy však existuje pocit, že chování obřích molekul DNA vědci znají mnohem lépe než tato jednoduchá molekula. Vezměte si například problém mrznutí vroucí vody. O tomto záhadném jevu jsme psali už nejednou či dvakrát, ale odpověď na otázku, která voda mrzne rychleji, horká nebo studená, dosud nebyla přijata. Navíc nebyla přijata v globálním měřítku, o čemž svědčí článek Philipa Balla, známého popularizátora vědy (viz „Chemie a život“ 2005 č. 8), publikovaný v dubnovém čísle časopisu „Svět fyziky“ za tento rok. S laskavým svolením autora zde uvádíme tento článek ve volném převyprávění.

Z obecných úvah vyplývá, že studená voda mrzne rychleji než horká. To vyplývá i z Newtonova zákona ochlazování: doba, za kterou se těleso ochladí, je úměrná rozdílu teplot mezi tělesem a jeho okolím.

Ale z nějakého důvodu Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes tvrdili, že horká voda mrzne rychleji. Erasto Mpemba z Tanzanie jako student střední školy možná o svých velkých předchůdcích nevěděl. Moderní fáze této mnohotisícileté debaty však začala pozorováním, které učinil v roce 1963. Diskutovaný jev se navíc nazývá „Mpembův efekt“. Experiment probíhal následovně. Během školního laboratorního úkolu museli studenti vyrobit zmrzlinu: uvařit mléko, vychladit ho a poté ho dát do lednice. Mpemba se obával, že na dokončení úkolu nebude mít dostatek času, dal do lednice ještě horké mléko a poté zjistil, že zmrzlo dříve než porce zmrzliny, které vyrobili jeho kolegové.

Od té doby někteří vědci tvrdí, že Mpembův jev existuje, zatímco jiní jej vehementně popírají. Obě verze jsou podpořeny experimentálními daty: původním rysem jevu je, že se ne vždy projevuje. Podle jednoho z historiků Mpembova jevu, Monwea Jen z Southern Illinois University, je pro vědce mnohem obtížnější uvěřit v existenci tohoto jevu než pro lidi, kteří nestudovali fyziku, protože přesně vědí, proč je nemožný. Mpemba se s tímto přístupem setkal jako první několik let po objevu, když se zeptal svého učitele fyziky, o co by mohlo jít. „Zřejmě se jedná o nějakou speciální Mpembovu fyziku, a ne o obecnou fyziku,“ zažertoval.

Naštěstí školu jednoho dne navštívil Dennis Osborne, profesor fyziky na Univerzitě v Dar es Salaamu. Mpemba ho oslovil se stejnou otázkou. Profesor byl méně skeptický, řekl, že nemůže soudit něco, co nikdy neviděl, a po návratu domů požádal své zaměstnance, aby provedli experimenty. Zdálo se, že chlapcova slova potvrdily. Každopádně v roce 1969 Osborne informoval o své práci s Mpembou v časopise Physics Education. Ve stejném roce George Kell z kanadské Národní výzkumné rady publikoval článek popisující tento jev v časopise American Journal of Physics.

Obě zprávy uváděly, že Mpembův efekt je obecně dobře známý i laikům. Sám Kell, jehož krajané mají rozsáhlé zkušenosti s pozorováním mrznutí vody, píše: „Říká se, že byste si v mrazivém počasí neměli mýt auto horkou vodou, protože zmrzne rychleji.“ Mpemba zase poznamenává, že výrobci zmrzliny v Tanzanii skutečně dávají přednost chlazení horkého mléka v lednici, protože se tak zmrzlina dělá rychleji. Na druhou stranu, zveřejnění článku v New Scientist o Mpembově efektu v roce 1969 dalo vzniknout mnoha vtipům o tom, jak v chladu prasklo potrubí s teplou vodou, zatímco studená voda dál tekla vlastním potrubím.

V každém případě jsou moderní badatelé Mpembova jevu v dobré společnosti. Aristoteles ve své Meteorologii v roce 350 př. n. l. napsal: „Pokud je voda předehřátá, bude ovlivněna svým zamrznutím, protože se ochladí rychleji.“ Roger Bacon tento výsledek ve 2005. století zpochybnil, ale Francis Bacon v 10. století tvrdil, že „voda, která je mírně zahřátá, mrzne rychleji než voda, která je velmi studená.“ A kdo věděl o vědě o chlazení víc než on? Říká se, že se nachladil, když studoval, jak konzervovat kuře se sněhem, na což zemřel. Přibližně ve stejnou dobu René Descartes velmi pečlivě studoval proces mrazení, objevil anomálii hustoty při čtyřech stupních a poznamenal, že „voda, která byla dlouho zahřívána, mrzne rychleji než kterákoli jiná.“ (Existuje však názor, že to vše je důsledkem nepřesného překladu, a ve skutečnosti tito velcí vědci nic takového netvrdili, viz „Chemie a život“, XNUMX, č. XNUMX. — pozn. red.)

Co to bylo? Špatně navržený experiment? Proč tedy nikdo nedokáže navrhnout dobrý experiment a vyřešit problém jednou provždy? Protože to není tak jednoduché. První problém spočívá ve formulaci samotného problému: „horká voda mrzne rychleji než studená voda.“ Pro větší přesnost Monvea Jen navrhuje její změnu. „Existuje řada počátečních parametrů a párů teplot tak, že ze dvou částí vody se stejnými parametry a různými teplotami zmrzne jako první ta teplejší.“

Existuje mnoho parametrů, které mohou ovlivnit rychlost mrazení. Nejzřetelnějšími jsou objem použité vody, velikost a tvar nádoby a teplota chladničky. Tato okolnost dává široký prostor pro činnost experimentátorů, kteří změnou tvaru nádob, objemu vody a typu chladničky dokáží vytvořit vícerozměrné pole dat a následně ho analyzovat. (Bylo by dobré sem dodat i takové faktory, o kterých fyzici neradi mluví, například parametry sluneční aktivity. — Pozn. red.)

Existuje také závažný metodologický problém: co je bod tuhnutí? Vznik prvního krystalu, nebo úplné zmizení kapaliny? „Obojí je obtížné zaznamenat, zvláště když experiment probíhá v lednici,“ říká Charles Knight z amerického Národního centra pro výzkum atmosféry.

Zdá se, že tyto obtíže vedly k tomu, že Mpembův jev zůstává stejně záhadný jako před čtyřiceti lety. Mnoho vědců se ho snažilo objasnit, ale nedosáhli ničeho užitečného. Například v roce 1977 Jearl Walker publikoval v časopise Scientific American článek s výsledky svých experimentů s ochlazováním vody na 0 °C. V některých z nich se Mpembův jev projevoval, a dokonce reprodukoval, ale někdy se vyskytovaly silné odchylky od konstruovaných křivek. „Nedokážu vyřešit vznikající rozpory,“ upřímně přiznává autor.

Tato data získal Jearl Walker ochlazováním vody různými způsoby: 1 – 50 ml v malé sklenici; 2 – 50 ml ve velké sklenici; 3 – 50 ml ve velké sklenici v lednici s regulací odmrazování; 4 – 100 ml ve velké sklenici s teploměrem u dna; 5 – 100 ml ve velké sklenici zabalené v potravinářské fólii s teploměrem u dna; 6 – 100 ml ve velké sklenici s teploměrem nahoře.

Ale do jaké míry Mpembův jev skutečně odporuje fyzice? Pablo Debenedetti z Princetonské univerzity si myslí, že vůbec ne. Nejjednodušší vysvětlení je, že horká voda se odpařuje rychleji, a proto chladí a mrzne v menším objemu než v nádobě se studenou vodou. Vzhledem k tomu, že rychlost odpařování závisí na ploše volného povrchu, lze tuto hypotézu ověřit provedením experimentů s nádobami různých tvarů.

Další možností je vliv rozpuštěného plynu, jehož drobné bublinky pomáhají krystalům nukleovat. Zdá se, že v horké vodě by mělo být méně plynů – unikají při varu. Ne, říká Debenedetti, rozpustnost nepolárních plynů, jako je dusík nebo metan, ve vodě nemusí nutně monotónně záviset na teplotě; může existovat teplotní rozmezí, kde je největší. Pro ověření této hypotézy je třeba pracovat s odplyněnou vodou.

Nemělo by se zapomínat na roli náhody při tvorbě ledu ve vodě – tato kapalina může zůstat v podchlazeném stavu po dlouhou dobu. „Musel jsem strávit spoustu času v místnosti s teplotou -15 stupňů pod bodem mrazu a sledovat, jak voda mrzne ve formách na koktejly. Některé kostky se vytvořily po patnácti minutách, zatímco u jiných to bylo méně než hodina. Protože proces je vysoce závislý na náhodě a nelze tvrdit, že všechny experimenty probíhaly za stejných podmínek,“ říká Charles Knight.

V roce 1995 německý fyzik David Auerbach z Max Planckova institutu pro dynamiku tekutin v Göttingenu podrobně zkoumal vliv podchlazení na Mpembův jev, ale jeho výsledky věc ještě více zamotaly. Zjistil, že horká voda mrzne při vyšší teplotě, a proto rychleji než studená voda. Studená voda však dosáhne podchlazeného stavu za kratší dobu, a proto mrzne rychleji než horká voda. Jeho zjištění mimo jiné přímo odporují předchozím údajům, že horká voda může dosáhnout většího podchlazení. Například Noah Dorsey z amerického Národního úřadu pro standardy v roce 1948 napsal, že k tomu dochází v důsledku snížení počtu nehomogenit ve vodě, které se stávají místy pro nukleaci ledových krystalů.

Pokud jde o další perspektivy studia Mpembova efektu, názory vědců se zde rozcházejí, stejně jako v otázce samotné existence efektu. Sám Knight se nechystá provádět nové experimenty, protože vyžadují mnoho úsilí a nepřinesou žádný užitek. A Debenedetti se domnívá, že testování efektu je vynikajícím polem působnosti pro školáky. Nejdůležitější je provést experimenty správně. „Jedna věc je, když nádoba s vodou zamrzne uprostřed prázdné ledničky, a úplně jiná, když je vmáčknutá mezi zmrazenou pizzu a zmrzlinovou tyčinku pokrytou námrazou,“ říká vědec.

Jistě se nejedná o prestižní high-tech experiment, ale mohl by osvětlit záhadu, která se táhne už dvě tisíciletí. Zkusíme to?

Náš časopis o tomto jevu psal mnohokrát. Všechny články na toto téma naleznete ve sborníku „Mpembův efekt“.

To se může stát několika způsoby. Podívejme se na ně níže.

Tlak

Za prvé, skupenství materiálu (ať už plynné, kapalné nebo pevné) silně závisí jak na jeho teplotě, tak na tlaku.

U většiny kapalin zvyšuje tlak teplotu, při které kapalina mrzne. Pevná látka vzniká, když se volné molekuly kapaliny dostatečně zpomalí a přiblíží se k sobě, aby vytvořily stabilní vazby, které je drží na místě. Když na kapalinu působíme tlakem, nutíme molekuly k sobě přiblížit se, aby mohly vytvořit stabilní vazby a stát se pevnou látkou při teplotě vyšší, než je bod tuhnutí při standardním tlaku.

Voda je však v něčem unikátní.

Molekuly vody se rozprostřou, když se spojí do pevné krystalické struktury. Díky tomu má led menší hustotu než kapalná voda, takže led plave, místo aby klesal. Toto působení molekul vody při mrznutí také znamená, že tlak vody snižuje bod mrazu. Pokud vyvinete dostatečný tlak (což molekulám vody ztíží rozprostření do pevné struktury), můžete získat kapalnou vodu o teplotě několik stupňů pod nulou.

Doplňky stravy

I bez tlaku můžete získat kapalnou vodu při teplotách pod bodem mrazu pomocí přísad. Přísady, jako je sůl, mohou zabránit tvorbě pevné látky a snížit bod tuhnutí vody.

Sůl se skládá ze silných sodných a chloridových iontů. Po rozpuštění ve vodě se molekuly vody vážou na ionty soli, a proto tak snadno nezamrzají. S přidáváním další soli do vody bod tuhnutí dále klesá, dokud voda nedosáhne nasycení a nebude moci sůl udržet.

Pokud se přidá dostatečné množství soli, bod tuhnutí vody může klesnout až na -21 stupňů Celsia.

Tato skutečnost znamená, že voda při teplotě -21 stupňů Celsia může být stále kapalná (s dostatečným množstvím soli).

Tuto silnou vlastnost soli lze také využít k přeměně ledu zpět na vodu. Posypání soli na zledovatělé chodníky snižuje bod tuhnutí ledu pod okolní teplotu, což způsobuje jeho tání.

Posypávání soli na zledovatělých cestách ale nepomůže, pokud je okolní teplota nižší než -21 stupňů Celsia.

Vliv soli na bod tuhnutí vody má také hluboký dopad na zemské oceány.

Jiné metody. Podchlazená voda

I když vodu netlačíte ani do ní nic nepřidáváte, můžete mít kapalnou vodu i při teplotách pod nulou stupňů Celsia.

Aby voda zmrzla na led, musí nejprve zmrznout, aby se proces zahájil. Tato výchozí místa se nazývají „nukleační místa“. Ve většině případů trocha prachu, nečistot nebo i malé vibrace ve vodě poskytují nukleační místa pro zamrznutí vody. Ale pokud je vaše voda velmi čistá a nehybná, molekuly vody nemají na čem krystalizovat.Díky tomu můžete ochladit velmi čistou vodu pod nulu stupňů Celsia, aniž by zamrzla.

Voda v tomto stavu se nazývá „podchlazená“.

Čistou vodu lze podchladit na přibližně -40 stupňů Celsia.

Podchlazená voda je chráněna před zamrznutím pouze absencí nukleačních center. Jakmile se tedy nukleační centra objeví (což může nastat v důsledku jednoduché vibrace), podchlazená voda rychle zamrzne.

Mrznoucí déšť je přirozeným příkladem podchlazené kapalné vody. Jakmile déšť dopadne na objekt na zemském povrchu, objekt vytvoří nukleační místa a déšť zmrzne na led.

• Tajemství ledových krystalů
• Nová teorie, proč se voda smršťuje při ohřevu z 0 na 4 °C
• Úžasná struktura ledu
• Práškové barvy pro ledové modely používané při výrobě kovových odlitků
• Voda a led – víme o nich dost?
• Výroba kovových odlitků z ledových modelů na principu „stačí přidat vodu“
• Tvorba struktury modelu odlévaného ledu a metody jejího modelování