Neden Sıcak Su Soğuk Sudan Daha Hızlı Donar?—Fizikçiler Mpemba Etkisini Çözdüler

Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu ilk olarak Aristotle fark etti, ancak kimyacılar bu çelişkiyi açıklamakta hep zorlandılar. Şu ana kadar.

Su, dünyadaki en bol bulunan bileşiklerden biri olabilir ama aynı zamanda diğerlerinden daha gizemli olanlardan da biridir. Örneğin, diğer bir çok sıvı gibi soğudukça yoğunlaşır. Ama diğerlerinin aksine, 4°C'de maksimum yoğunluğa ulaşır ve donmadan önce yoğunluğu tekrar azalmaya başlar.

Katı haldeyken yoğunluğu hala daha azdır; bu, sıradan buzun neden suyun üzerinde yüzdüğünü açıklar. Dünyadaki yaşamın gelişmesinin sebeplerinden birisi de budur —eğer buz sudan daha yoğun olsaydı okyanuslar dipten yukarı doğru donmaya başlayacaktı, bu da hayatı mümkün kılan kimyasal koşulların oluşmasını neredeyse tamamen engelleyecekti.

Bir de adını, 1960'ların başında aşçılık dersindeyken sıcak dondurma karışımının soğuk dondurma karışımından daha hızlı donduğunu keşfeden Tanzanyalı bir öğrenciden alan, tuhaf Mpemba Etkisi var. (Aslında bu etki daha önce tarih boyunca aralarında Aristotle, Francis Bacon, René Descartes gibi bir çok bilim adamı tarafından fark edilmişti.)

Mpemba Etkisi, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunun gözlemlenmesidir. Bu etki, ortaya konulan bir çok açıklama ile bir çok durumda ölçülmüşür. Bir tahmine göre, sıcak kaplar soğutucu ile daha iyi ısı teması sağlıyor ve böylece de ısıyı daha etkili bir şekilde iletiyor. Sonuç olarak da su daha çabuk donuyor. Diğer bir tahmine göre de sıcak su daha hızlı buharlaşıyor bu da endotermik(ısıalan) bir süreç olduğundan, suyu soğutup ve daha çabuk donmasını sağlıyor.

Bu açıklamaların hiç biri tam olarak ikna edici değil, bu yüzden doğru açıklama hala bulunmayı bekliyor.

Bugün Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden, Xi Zhang ve birkaç arkadaşı bir açıklama sunuyor. Bu adamlar Mpemba paradoksunun, suyu bir arada tutan farklı yapıdaki bağların özgün özelliklerinin sonucu olduğunu söylüyorlar.

Peki sudaki bağlarda bu kadar tuhaf olan şey ne? Bir su molekülü iki küçük hidrojen atomuna standart kovelent bağ ile bağlı, hidrojene oranla daha büyük olan bir oksijen atomundan oluşur.

Ancak su molekülleri bir araya geldiğinde hidrojen bağları da önemli bir rol oynamaya başlar. Bu olay, bir moleküldeki hidrojenin başka bir moleküldeki oksijene yaklaştığında onunla bağ kurmasıyla meydana gelir.

Hidrojen bağları, kovelent bağlardan daha zayıftır ama kertenkelelerin duvarlara tırmanırken kullandığı van der Waal kuvvetinden daha güçlüdür.

Bunların önemli olduğu kimyacılar tarafından uzun zamandır biliniyordu. Örneğin, suyun kaynama noktası benzer moleküllerden oluşan diğer sıvılardan çok daha yüksektir çünkü hidrojen bağları suyu bir arada tutar.

Ancak, son yıllarda kimyacılar hidrojen bağlarının oynayabileceği, fark edilmesi güç diğer rollerin giderek farkına varmaya başladılar. Örneğin, dar kılcallar içindeki su molekülleri hidrojen bağlarıyla zincirler oluştururlar. Bu, yaprağın yüzeyinden buharlaşan suyun köklerden yukarı doğru bir su molekülü zinciri çektiği bitkilerde ve ağaçlarda önemli rol oynar.

Şimdi, Xi ve arkadaşları hidrojen bağlarının Mpemba Etkisini de açıkladığını söylüyorlar. Ana fikirleri ise, hidrojen bağlarının su moleküllerini yakın temasa getirdiği ve bu gerçekleştiğinde moleküller arasında oluşan doğal itmenin kovelent oksijen-hidrojen bağlarını germesi ve enerji depolaması.

Ancak sıvı ısındıkça, hidrojen bağlarını gerer ve su molekülleri birbirinden uzaklaşır. Bu da gerilen kovelent bağların tekrar büzülmesine ve tuttukları enerjiyi bırakmalarına sebep olur. Önemli olan nokta ise, kovelent bağların enerjilerini bıraktığı bu sürecin soğumaya eşit olmasıdır.

Aslında, bu etki normal soğuma sürecine eklenir. Böylece sıcak su soğuk sudan daha hızlı soğumalıdır, diyorlar. Ve Mpemba Etkisinde gözlemlenen de tam olarak budur.

Bu adamlar ek soğuma etkisinin büyüklüğünü ölçtüler ve bu etkinin sıcak su ile soğuk suyun soğuma oranlarındaki farklılığı ölçen deneylerde gözlemlenen farklılığın izahı olduğunu gösterdiler.

İşte! Bu, kimyacılara hala uykusuz geceler yaşatan suyun gizemli ve karmaşık özelliklerine ilginç bir içgörü.

Ancak, Xi ve arkadaşlarının fikri ikna edici olsa da, tam olarak bir çok fizikçinin konuyu kapatmak için ihtiyaç duyduğu teorik sert smaç değil. Çünkü bu yeni teori tahminsel güçten yoksun—en azından bu makalede.

Xi ve arkadaşları teorilerini suyun, geleneksel görüşün ön göremediği yeni bir özelliğini tahmin etmek için kullanmalılar. Örneğin, kısaltılmış kovelent bağlar suyun aksi halde var olmayacak bazı ölçülebilir özelliklerinde artışa neden olabilir. Bu keşif ve bu özelliklerin ölçülmesi, teorilerinin ihtiyaç duyduğu öldürücü darbe olacaktır.

Sonuç olarak, bu adamlar Mpemba Etkisi bilmecesini iyi bir şekilde çözmüş olabilirler ancak insanları ikna etmek için muhtemelen biraz daha sıkı çalışmaları gerekecek. Yine de, ilginç olay!

Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox

En yeni Physics arXiv Blog yazılarını buradan takip edin.