Τι είναι το "Φαινόμενο Mpempa";

Πιθανόν ο πρώτος που παρατήρησε ότι το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο ήταν ο Αριστοτέλης, αλλά μέχρι το 2013 αυτό το φαινόμενο ήταν ανεξήγητο από την επιστημονική κοινότητα. Το όνομα "Mpempa" δόθηκε από τη Βασιλική Εταιρεία Χημείας της Βρετανίας προς τιμήν του Τανζανού φοιτητή Erasto Mpempa καθώς ήταν ο πρώτος που το μελέτησε διεξοδικά και δημοσίευσε μια πρώτη επιστημονική εξήγηση το 1969 η οποία όμως αποδείχθηκε ανεπαρκής. 

Η παραπάνω εικόνα δείχνει καυτό νερό, σχεδόν 100°C, να παγώνει ακαριαία σε θερμοκρασία χαμηλότερη των -20°C. Αν συγκρίνουμε την ταχύτητα ψύξης δύο δειγμάτων νερού θερμοκρασίας ~19°C και 43ºC όπως δείχνει το επόμενο σχήμα, θα δούμε ότι αυτό που θα παγώσει πρώτο είναι το δεύτερο. 

Η πιο ολοκληρωμένη και κοινά αποδεκτή εξήγηση δόθηκε το 2013 από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης οι οποίοι μελέτησαν τους χημικούς δεσμούς των μορίων του νερού σε διάφορες θερμοκρασίες. Τα μόρια νερού μεταξύ τους δεσμεύονται από έναν ηλεκτρομαγνητικό δεσμό (δεσμό υδρογόνου) ο οποίος καθορίζει το σημείο βρασμού, την επιφανειακή τάση και το ρυθμό μεταβολής ενέργειας. Ο ρυθμός μεταβολής ενέργειας εξαρτάται κυρίως από την αρχική κατάσταση του υγρού, δηλαδή τη θερμοκρασία του. Το θερμό νερό μεταφέρει την ενέργειά του εκθετικά πιο γρήγορα από το κρύο νερό καθώς οι δεσμοί υδρογόνου αλληλεπιδρούν με τους ομοιοπολικούς δεσμούς του νερού (μοιράζονται ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στιβάδα) και όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο συμπιεσμένοι είναι οι ομοιοπολικοί δεσμοί αποθηκεύοντας ταυτόχρονα ενέργεια. Κατά την ψύξη, ο ρυθμός απελευθέρωσης της ενέργειας αυξάνεται εκθετικά πιο γρήγορα γιατί στο ψυχρότερο νερό οι ομοιοπολικοί δεσμοί δεν είναι τόσο συμπιεσμένοι. Αυτή η συμπεριφορά όμως του νερού εξαρτάται και από άλλους παράγοντες όπως η καθαρότητα του νερού και η διάρκεια ψύξης.

 Πηγή: https://www.nature.com/articles/srep03005 

Graph by SVG version: Own work - http://www.picotech.com//experiments/mpemba_effect/graphics/export_results_spreadsheet.gif, CC BY 3.0