Yıllar geçtikçe, bilimde öğrendiğimiz bazı sağduyulu yaklaşımların her zaman gerçeklikle örtüşmediğini kavramaya başlıyoruz. Bu harika bir şey çünkü dünyamızın altında yatan mekaniği ve bundan kaynaklanan beklenmedik keşifleri ortaya çıkarıyor. Ancak bu sürprizleri kabullenmek, özellikle de beklenmedik olayların arkasındaki nedenler bilinmediğinde zor olabilir. Mpemba etkisi, hala evrensel olarak kabul edilmemiş olsa da, bize karmaşık sistemlerin bazı karmaşık ve çoğu zaman dolambaçlı davranışlarına işaret etmektedir.
Mpemba Etkisine Başlarken
Bu fenomen genellikle Mpemba etkisi olarak anılır ve adını 1963 yılında Tanzanya'da yaşayan bir genç olan Erasto Mpemba'dan alır. Ancak, Aristoteles'in bu etkiyi MÖ 350 gibi erken bir tarihte gözlemlemiş olduğunu belirtmek gerekir. Mpemba sınıfta bir dondurma karışımı hazırlarken hala sıcak olan malzemeyi buzdolabına koydu. İncelediğinde, bu karışımın diğerlerinden daha hızlı donduğunu gözlemledi, bu da mantığa aykırı görünüyordu. Newton'un soğuma yasasına göre soğuma hızı, nesne ile çevresi arasındaki sıcaklık farkıyla doğru orantılıdır. Ancak bu gözlem gerçek bulgularla çelişiyor gibi görünmektedir.
Denis Osborne'un okulu ziyareti sırasında Mpemba ona gözlemlerini sordu. Denis Osborne, Dar es Salaam Üniversitesi'nden misafir profesördür. Birlikte daha fazla araştırma yaptılar ve 1969'da etkinin gerçekten var olduğunu gösteren bir makale yayınladılar. Yıllar boyunca pek çok kişi bu sonuçları tekrarlamaya çalışmış ve sonuçta çok çeşitli yanıtlar ortaya çıkmıştır. Peki bunun nedeni nedir?
Zorlu Koşullar
Tuhaf görünse de, su inanılmaz derecede karmaşık bir maddedir. Birçok insan için su sadece H2O'dan ibaretmiş gibi görünebilir. Ancak, su moleküllerinin mekaniği aslında oldukça çeşitlidir ve bunun birçok farklı nedeni vardır. Bunları tek tek sıralamak yerine, her bir farklı özelliğin Mpemba etkisini açıklamaya nasıl katkıda bulunabileceğini tartışacağız. Burada akılda tutulması gereken bir husus, tek bir unsurun bu etkiyi açıklama ihtimalinin çok düşük olduğudur. Göreceğiniz gibi, bu araştırma yöntemlerinin her biri, etkinin muhtemelen çok parametreli bir yaklaşım olduğunu gösteren bazı karışık sonuçlara sahiptir.
Konvektif ısı transferi tüm akışkanlarda meydana gelir, bu sayede daha sıcak malzeme yükselirken daha soğuk malzeme alçalır. Belirli bir ortam içinde etkili bir şekilde dönen bir enerji dağılımı sistemi oluşturur. Sıcak olan üstteki malzeme buharlaşmaya uğrar. Bu süreç, malzemenin serbest kalmasına ve kalan sıvının enerjisinin azalmasına neden olur. Çeşitli teoriler, konvektif ısı transferinin bu etkiyi çeşitli şekillerde açıklayabileceğini öne sürmektedir.
Buharlaşma suyu uzaklaştırabilir, bu da donma için kullanılabilir miktarın azalmasına neden olur. Buna ek olarak, ısı kaybeden su daha soğuk olacak ve dibe çökerek alt seviyelerin donmasını kolaylaştıracaktır. Bu olayın sadece üstü açık kaplarda meydana gelmesi beklense de, üstü kapalı kaplarda da gözlemlenmiştir.
Aşırı soğutma, sıvıların sıvı-katı transfer noktasının ortak donma noktasının altında doğalarını koruma sürecidir. Bazıları, daha sıcak suyun aşırı soğuma davranışını sürdüremediğini ve bu nedenle daha hızlı donduğunu öne sürmektedir. Ancak sudaki potansiyel safsızlıkların donma sürecini başlatarak buz kristalleşmesi alanlarının geçmesine izin verebileceği de iddia edilebilir.
Radyasyon Güvenliği Sorumlusu olarak görev yapan James Brownridge, aşırı soğuyan su konusunda yüzlerce deney gerçekleştirmiştir. Deneyinde, aynı başlangıç sıcaklığına sahip iki özdeş su örneği alıyor ve bunları bir dondurucuya yerleştiriyor. Daha sonra hangisinin önce donduğunu gözlemliyor. Safsızlığı en yüksek olanın önce donduğunu düşünebiliriz. Daha sonra numuneler dondurulmadan çıkarılır ve biri oda sıcaklığında tutulurken diğeri 80 dereceye kadar ısıtılır, ardından her ikisi de orijinal yerlerine dondurucuya geri yerleştirilir.
İlk donma sırasında her ikisinin de 5 santigrat derecelik bir sıcaklık aralığında donması koşuluyla, ilk donan numunenin sıklıkla ısıtma sırasında ilk donan numuneyle aynı olduğunu keşfetmiştir. Aslında, safsızlıklar aşırı soğuma davranışını sınırlıyor gibi görünüyordu ve bu açıklamayı desteklemiyordu.
Diğer açıklamaların da benzer sorunları var: Kulağa hoş geliyorlar ama sonuçta doğrulanamıyorlar ya da karmaşık sorunları var. Hidrojen bağı ılık suyla daha kolay kırılabilir ve daha kolay donmayı kolaylaştırabilir, ancak hiçbir kanıt buna işaret etmiyor. Suyun tepesinde oluşan don, yalıtkan bir tabaka oluşturarak son eşiği geçmeyi zorlaştırabilir, ancak bu da kanıttan yoksundur.
Belki de sorun suyun buza dönüşme sürecine dair anlayışımızda yatıyor. Donma noktası tam olarak 0 santigrat derece değildir, daha ziyade donma sürecinin tipik olarak başladığı genel bir sıcaklık aralığıdır. Peki süreç hangi noktada bir sonuca varıyor? Bazıları cismin katı hale gelmesiyle, bazıları ise başlamasının yeterli olduğunu söyler. Ayrıca numunenizde bu süreci nerede ölçtüğünüz de sonuçları büyük ölçüde etkiler.
Basıklık ve Denge
Bu konudaki en iyi çalışmalardan bazıları, durumu termal dengeden ne kadar uzakta olduğumuz açısından yeniden düşünmemizi sağlıyor. Antonio Lasanta (Madrid'deki III. Charles Üniversitesi) ve ekibi, etkinin örnekteki moleküllerin hızıyla ilişkili olduğunu buldu. Sıcaklığı, moleküllerin ortalama hızının bir göstergesi olarak düşünün. Bazıları ortalamanın çok dışında olabilir, daha hızlı ve daha yavaş olasılıklar söz konusudur.
Ortalamadan sapma derecesini ölçmek için kullanılan istatistiksel bir yöntem olan basıklık süreci kullanılarak, ortalamadan önemli ölçüde daha düşük değerlere sahip belirli aykırı değerlerin kalan öğeler için donma sürecini başlatabileceği gösterilmiştir. Daha yüksek sıcaklıklarda çalışan sistemlerin, daha düşük sıcaklıklarda çalışanlara kıyasla daha fazla fırsata sahip olduğu görülmektedir.
Avinash Kumar ve John Bechhoefer'in Kanada'nın Burnaby kentindeki Simon Fraser Üniversitesi'nde yürüttüğü çalışma da bu sonucu destekliyor. Vekil molekül işlevi görmesi için 1,5 mikrometre boyutunda cam boncuklar kullandılar, bunları lazerle ısıttılar ve soğumaları için suya koydular. Bu, bilim insanlarına hareketi ölçmek ve farklı sistemlerin soğuma hızını görmek için bir görsel sağladı. Boncuklar farklı şekillerde dağıtıldı, bazen genel olarak ısıtıldı ve diğer zamanlarda oldukça lokalize bir şekilde ısıtıldı. Sistem dengeden uzaklaştıkça soğuma hızının daha belirgin hale geldiği keşfedildi. Bu durum gerçekten suya da yansıyor mu? Şu anda bunu söylemek zor, ancak sonuçlar cesaret verici.
Eski çağlardan beri bilinen ancak analiz edilmesi zor olan bir fenomen için olası bir açıklama yakalamış olabiliriz. Buradaki tüm değişkenlerin dengeyi nasıl etkilediğini araştırarak, gizemli Mpemba etkisi konusunda nihayet bir fikir birliğine varabiliriz.
Mpemba Etkisi Hakkında Sık Sorulanlar
Mpemba Etkisi nedir?
Mpemba Etkisi, sıcak suyun belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donması olgusunu ifade eder. Adını, dondurma yaparken bu olağandışı davranışı ilk kez gözlemleyen Tanzanyalı bir öğrenci olan Erasto Mpemba'dan almıştır.
Mpemba Etkisi geleneksel düşünceyle nasıl çelişiyor?
Mpemba Etkisi, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donması gerektiği yönündeki yaygın inanışla çelişmektedir. Geleneksel düşünceye göre, sıcak suyun ilk sıcaklığı daha yüksek olduğu için donması daha uzun sürmelidir.
Mpemba Etkisi için olası açıklamalar nelerdir?
Mpemba Etkisi için önerilen birkaç açıklama vardır. Bunlar arasında buharlaşma oranlarındaki farklılıklar, çözünmüş gaz içeriğinin azalması, su viskozitesindeki değişiklikler ve buz kristallerinin oluşumundaki farklılıklar yer almaktadır. Etkinin arkasındaki mekanizmalar hala tam olarak anlaşılamamıştır ve bilimsel araştırmaların konusu olmaya devam etmektedir.
Mpemba Etkisi hangi koşullar altında ortaya çıkar?
Mpemba Etkisi her durumda tutarlı bir şekilde gözlemlenmez. Oluşumunu etkileyen koşullar arasında suyun ilk sıcaklığı, dondurulan suyun hacmi, safsızlıkların varlığı ve soğutma hızı yer alır. Etkinin belirli deneysel koşullar altında gözlemlenmesi daha olasıdır.
Mpemba Etkisi kontrollü deneylerde tekrarlanabilir mi?
Mpemba Etkisinin kontrollü laboratuvar deneylerinde tekrarlanması zor olmuştur. Deney düzeneği, kap malzemesi ve soğutma yöntemi gibi çeşitli faktörler sonuçları etkileyebilir. Etki genellikle belirli senaryolarda daha belirgindir ancak tutarlı bir şekilde tekrarlanabilir olmayabilir.
Mpemba Etkisi bilimsel olarak kanıtlandı mı?
Mpemba Etkisi uzun yıllardır bilimsel araştırmaların konusudur ve altında yatan mekanizmaları anlamak için çok sayıda çalışma yapılmıştır. Etkiyi destekleyen ampirik kanıtlar olsa da, tam bilimsel açıklaması ve evrensel uygulanabilirliği hala devam eden araştırma ve tartışma konularıdır.
Kaynaklar:
- Lucy, Michael. "The Mpemba effect: why hot water freezes faster than cold." cosmosmagazine.com. Cosmos, 22 Oct. 2021.
- Mann, Adam. "Controversy Continues Over Whether Hot Water Freezes Faster Than Cold." quantamagazine.org. Quanta, 29 Jun. 2022.
- Ouellette, Jennifer. "When cold warms faster than hot." physicsworld.com. IOP, 01 Dec. 2017.
