Málo se to ví, ale fyzikové nepotřebují kvantovou mechaniku ani černé díry, aby čelili nesmírně zvláštním jevům. K jedné ryzí a naprosto tajemné záhadě se dostanete, když zmrazujete různě teplou vodu. Zdá se, že si toho všiml už Aristoteles a jak známe naše zvídavé předky, určitě nebyl prvním na světě. Zní to šíleně, ale horká voda zmrzne rychleji než studená. A nikdo neví proč. Klidně si to zkuste doma.
Novodobý příběh tohohle podivuhodného jevu by vydal na román nebo spíš na hollywoodský blockbuster. V roce 1963 si tanzanský student Erasto Bartholomeo Mpemba přivydělával přípravou zmrzliny ve školní kuchyni a všiml si, že horká voda zmrzne rychleji než studená. Pak zjistil, že lstiví zmrzlináři to už dávno vědí. Mpembův učitel fyziky se mu vysmál, prohlásil to za „Mpembovu fyziku“ a společně se spolužáky novodobého Aristotela nějakou dobu šikanovali. Pak jim sklaplo.
Mpemba se nevzdal a oslovil fyzika Denise Osborna, který shodou okolností navštívil jejich školu. Osborn to vyzkoušel, šokovalo ho to a v roce 1969 to společně s Mpembou publikovali. Mpemba za svou vytrvalost vstoupil do učebnic, což je dnešní obdoba antického nanebevzetí v podobě souhvězdí.
Pokud jde o vysvětlení Mpembova jevu, existuje celá řada hypotéz. Mpemba, který shodou okolností zemřel letos na jaře, preferoval vysvětlení založené na konvekci. Ve hře jsou ale i mikrobubliny, evaporace, mrazové jevy, roztoky, tepelná vodivost, chování rozpuštěných plynů, vodíkové vazby, krystalizace a další odborné nápady.
Hisao Hayakawa z Kyoto University a jeho spolupracovníci zkoumali Mpembův jev ve kvantovém měřítku. Vytvořili dva systémy s kvantovými tečkami, různým způsobem napojenými na tepelný rezervoár. Oba systémy byly směrovány do rovnovážného stavu o nízké teplotě, přičemž badatelé sledovali jejich evoluci a řadu parametrů, včetně toho nejdůležitějšího, teploty.
Povedlo se. Teplejší systém vychladl rychleji. Mpembův jev funguje i v říši kvant. Jak říkají autoři studie, prokázali existenci této podivnosti na druhou, čili „termálního kvantového Mpembova jevu“ za rozmanitých podmínek, včetně různě nastavených teplot. Hayakawa s kolegy teď budou hledat možné praktické využití tohoto jevu, který se vysmívá „selskému rozumu.“
Video: Science At Home - The Mpemba Effect
Video: Mpemba Effect Tutorial (it’s EPIC!!!)
Literatura
Kovové svaly s pamětí úžasně chladí i ohřívají
Autor: Stanislav Mihulka (05.04.2019)
Důmyslný střešní materiál se ochlazuje v létě a ohřívá v zimě
Autor: Stanislav Mihulka (27.12.2021)
Strukturovaný materiál po 266 letech skoncoval s Leidenfrostovým jevem
Autor: Stanislav Mihulka (01.02.2022)
Diskuze:
Pavěda
Zdenek Svindrych,2023-09-08 20:56:52
Za mě je to pavěda.
A to nemám namysli ten kvantový jev, ale mrznutí vody.
Snadno se dají navrhnout kontrolní experimenty, které objasní vliv rozpuštěných plynů (CO2, N2, O2), nerozpustných solí (CaCO3, MgCO3), úbytek hmotnosti vypařováním, konvekce v kapalině, podchlazení (i na to máme vhodnou technologii - jmenuje se teploměr). Jenom se tomu nikdo vážně nevěnuje, neb by byl výsledek označen za a) triviální, za b) šlendrián.
Ani se nebudu blíže vyjadřovat k tomu, že horká voda vyhozená do studeného vzduchu je asi tak kvantově zajímavá jako "pára" nad hladinou kapalného dusíku.
A ty samotné "kvantové" jevy je kategorie sama pro sebe. Když člověk hledá odchylku od normální (rozuměj Poisson) statistiky dostatečně usilovně, tak ji najde... Pochopitelně tím nemyslím běžné makroskopické kvantové jevy jako supravodivost, supratekutost, interakce světlo-pevná látka (black body radiation, fotoelektrický jev, fluorescnece, radioaktivitu, x-ray, ...) a jiné běžné jevy.
Kvalitne summary k teme
Marian Valentin,2023-09-07 22:55:09
Odporucam toto zhrnutie vo videu. Je to zhrnutie od velmi kvalitneho vedeca a popularizatora vedy: Derek Alexander Muller, ktory sa okrem ineho zaobera aj vyvracanim podobnych mytusov.
Aj napriek tomu, ze mnohe myslienky, ako by to mohlo fungovat, su lakave, tak pri hlbsej analyze to tak jednochduche nebude.
Samozrejme, ak niekto nechce postupovat pri analyze uplne vedecky, tomu to zmysel davat bude, aj po akomkolvek dokaze.
Skoda, ze Richard Feynman uz nezije.
https://www.youtube.com/watch?v=SkH2iX0rx8U
Re: Kvalitne summary k teme
Tomáš Černák,2023-09-08 08:42:30
Toho ulhaného zmetka sice nesnáším, ale musím uznat, že občas dělá záslužnou činnost.
Co se Feynmana týče, jsou jiní populizátoři fyzikové, ale aby mohli nějaký mýtus rozbořit, tak se jich musí na něj nejprve někdo zeptat.
Na druhou stranu, není třeba autority fyzika, aby se Mpemby efekt mohlo označit za hraniční blbost.
Radoslav Pořízek
,2023-09-05 03:34:43
"Pokud to nevíte, při dodržení vhodných podmínek zmrzne velmi horká voda dřív než studená voda. A nikdo to nedovede uspokojivě vysvětlit."
Podla mna to uspokojivo vysvetlil aj Tomas Cernak - horuca voda sa jednoducho rychlejsie vypari, a tak jej na ochladenie a zamrzmnutie ostane menej.
Voda nemusi zamrznut pri 0'C, v oblakoch mozu kvapocky ostat kvapalne tusim az do -50 'C. Pri zamrzani ustalenej vody v nadobe je to ruleta, kedy zacne mrznut. Tak to niekedy moze vyhrat aj ta horucejsia, aj ked ma horsie podmienky.
Na vyrobu 100 kg ladu rozhodne je navyhodnejsie pouzit co najchladnejsiu vodu, to vam potvrdi kazdy vyrobca. Az by to s teplou slo rychlejsie, rozhodne by si to uz vsimol kde-kto, nielen Mpemba. Takze fyzikalne/logicky je to nezmysel, experimentalne sa to nepozoruje. Nezmysel + nezmysel = zaruceny nezmysel.
Kvantovy efekt je tu: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.080402
Chcelo by to mat pristup k celemu clanku, aby clovek pochopil, o co tam vlastne slo, pretoze experimentalny setup je tu popisany velmi chatrne dvoma vetami.
Je tento jev skutečně ověřen ?
Jaroslav Mitlener,2023-09-04 22:26:18
setkal jsem se už i s tvrzením, že popisovaný jev byl zpochybněn, vyvrácen resp. nepotvrzen, ale nemám zdroj.
např. https://www.ptejteseknihovny.cz/dotazy/mrznuti-teple-a-studene-kapaliny píše, že:
v praxi je již dokázáno, že k tomuto jevu za určitých podmínek dochází, ale v žádném případě k němu nedochází vždy.
Není to nějaká legrace ???
Rešpekt Tanzánií
Daniel Slovák,2023-09-04 16:43:58
Pri čítaní článku mi bolo smutno z toho, že už Tanzánia má svoju stopu vo fyzike a Slovensko stále nič.
Re: Rešpekt Tanzánií
Tomáš Černák,2023-09-04 18:51:13
To ti být nemusí, zatímco Mpembův jev je hraniční blbost, Slovensko se do fyziky zapsalo mnohem výrazněji nežli Tanzanie. Z hlavy mně napadá Ilkovičova rovnice z polarografie. Ale nejspíše by se toho našlo více. Chce to jen hledat. Je jasné, že triviální věci jako Pythagorova věta to nebudou :-D
Kvantový tunelový efekt
Roman Madala,2023-09-04 11:26:27
Kvantové častice tvoriace vodu by mohli využiť kvantový tunelový efekt na presun tepla. Proces tunelového prechodu tepla by mohol umožniť rýchlejší prenos energie z horúcej vody na chladnú, čo by ovplyvnilo zmrazenie vody.
Horká voda
Jiří Brtnický,2023-09-04 10:16:42
Při trošce zamyšlení mrznutí horké vody tak nelogicky nevypadá. Molekula vody je silně polarizovaná. V horkém stavu chaotický pohyb molekul přechází rovnou do krystalů ledu. Ve studené vodě mohou mít molekuly vhodné podmínky, aby se uspořádaly podle náboje. Tyto vazby nesou energii a zpomalují mrznutí. Pokusy jsem s tím neprováděl. Pokud je úvaha správně, tak se zpomalení mrznutí nejvíce projeví u studené vody, která stála v nádobě dlouho v klidu. Je také možné, že voda, kde jsou molekuly uspořádané podle nábojů, mrzne voda při trochu nižší teplotě. Je ovšem možné, že je to celé jinak.
Re: Horká voda
Petr Slachta,2023-09-04 14:54:57
Možná by na tom mohlo něco být.
Existuje i takový jev, kdy je kapalna voda v klidu s teplotou nižší než 0. Dokud je v klidu, nezmzne. Pak ovšem stačí ten klid jakkoliv narušit, a voda během okamžiku zmrzne.
Re: Re: Horká voda
Mac Ii,2023-09-04 16:35:24
...jak kdysi v jednom svém románu popisoval už Jules Verne
Re: Horká voda
Tomáš Černák,2023-09-04 18:42:56
Nebo bych doporučil nejprve udělat průzkum jestli Oslík tak trochu nefabuluje, než budeš vymýšlet "fyzikální" vysvětlení jevu, který se ve skutečnosti statisticky "vyskytuje" pouze jako chyba měření.
Samozřejmě je to konina a horká voda opravdu dříve nezmrzne. Už jen proto, že tepelná kapacita vody je obrovská a energie skupenského tepla tuhnutí je menší, nežli energie vody mezi teplotou varu a teplotou tuhnutím.
A ty slavné "efekty" kdy rozhodíme do mrazu horkou vodu a ta zmrzne zatímco studená voda ne, je zcela jiný fyzikální princip (rozhození vody výrazně zvýší její povrch a ta se tak v případě, že je horká vypaří a následně ta vodní pára desublimuje, studená voda se nevypaří a tak nemůže projít desublimací, ale musela by ztuhnout, což je na energeetický tok náročnější, speciálně vezmeme-li v potaz ohromný rozdíl mezi měrnou plochou vody a vodní páry).
Jinak jaký má molekula vody náboj? Jsem myslel, že její celkový náboj je nula.
Re: Re: Horká voda
Petr Jeřábek,2023-09-04 20:24:07
s tepelnou kapacitou to ma malo co delat, resp. aby se vyssi rychlost mrznuti teple vody prokazala musi mit zdroj chladu dostatecny vykon na to, 'aby vysledek nebyla ken staticticka odchylka'. Tepelna kapacita vody vcetne fazoveho prechodu plati stale, u chlazrni horke vody je potreba rychleho odvadet teplo, pochopitelne to jiste meri na stejnem zarizeni pro studenou u teplou vodu. Pointa nebude v tom, ze treba teplou vodu ochladi za 10 minut a studenou za 12, ale i kdyby to bylo 10 na 10 tak to je sakra rozdil (u stejne vykonne aparatury). Ono potvrzeni muze by i v 'zabavnych' videich kdy nekdo ve velkem mrazu vyhazuje vodu do vzduchu a ona okamzite zmrzne - podle zpusobu provedeni to nikdy nevypada na kybl studene vody, ale spis hrnec hodne horke vody.
Re: Re: Re: Horká voda
Tomáš Černák,2023-09-04 20:55:41
Samozřejmě že to s tím má co dělat. Je jedno jak výkonný odvod tepla je. Jestliže k přeměně kilogramu vody potřebuješ odvést 333 kJ energie a k ochlazení stejného množství vody ze 100°C na 0°C potřebuješ 418 kJ, tak to asi hraje významnou roli.
Právě proto vím, že tenhle graf je zfalšovaný
https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect#/media/File:Mpemba_Effect_temperatures_plot.png
teplotní rozdíl mezi hrokou a studenou vodou je 32°C, což znamená 133kJ. Pokud chladič dokáže stáhnout 90 kJ studené vody na nulu za cca 0,8 hodiny a 223 kJ horké vody za cca 1,2 hodiny (už zde je náznak problému experimentu), pak by tomu samému chladiči nemělo trvat přeměnit kilo vody na kilo ledu, což je 333 kJ, cca 3,5 hodiny. Vyjma zfalšovaného grafu to může znamenat jediné - chladič má teplotu jen několik málo stupňů pod bodem mrazu.
Nicméně pokud se podívám na křivky v grafu a vezmu v potaz, že křivka změny teploty ledu by měla být zhruba dvojnásobně plošší než vody (dáno cca čtvrtinovou tepelnou vodivostí ledu oproti vodě) což je, kloním se k zfalšování grafu.
Samozřejmě, v případě horké vody je vyšší teplotní gradient, takže přenos tepla přes obal (například sklenici) je výrazně rychlejší, z počátku. Proto je také důležité, aby teplotní gradient chladiče a zmrzlé vody byl dostatečně vysoký, jinak dojde k zfalšování výsledku, jako v případě grafu z wiki.
Ano s házením horké vody do chladného vzduchu, ten efekt jsem popsal, výše. Ty jsi asi ten můj příspěvek nečetl celý, že? Je to jiný fyzikální fenomén, nežli Mpemby efekt.
Aby se Mpemby efekt potvrdil, musel by se experiment udělat nejen s velmi výkonným chlazením, které nedokáže rozhodit teplo vody, ale i nádoba by měla být z velmi tepelně vodivého kovu a také hermeticky izolovaná, aby nedocházelo ke zkreslením odparem a změnou vlhkosti chladicího zařízení (pokud dám horkou otevřenou vodu do mrazáku, tak velmi rychle navýším vlhkost vzduchu v mrazáku a tento vzduch pak mnohem rychleji odvádí teplo z mé nádoby).
Re: Re: Re: Re: Horká voda
Tomáš Černák,2023-09-04 20:57:07
chyba
"223 kJ horké vody za cca 1,2 hodiny"
mělo být "133 kJ horké vody za cca 1,2 hodiny"
Re: Re: Re: Re: Horká voda
Vojtěch Kocián,2023-09-05 09:03:15
Podle mého hraje významnou roli přenos tepla. Od nádoby do vzduchu probíhá relativně pomalu, ale do chladné podložky mnohem rychleji. Háček bude v tom, že podložka se v běžném mrazáku nechová stejně ke studené a horké nádobě. Tou podložkou je totiž vrstva námrazy. Pod horkou nádobou se více rozpustí a tím výrazně zlepší pronikání tepla přes podložku. Pod studenou bude námraza plná vzduchu, který je docela dobrý tepelný izolant. Pro správné provedení experimentu je tedy nutné tento vliv eliminovat a ideálně nádoby zavěsit nebo ponořit do kapalného chladícího média.
Re: Re: Re: Re: Re: Horká voda
Tomáš Černák,2023-09-05 09:28:50
Ano, to je další faktor, který je třeba vzít v úvahu. Rozdíl mezi vodivostí ledu(námrazy) a vodou samotnou je značný, led je cca 4 krát lepší tepelný izolant nežli voda. námraza pod studenou nádobou tedy zásadně zpomalí odvod tepla. Dobrý tip!
Re: Re: Re: Re: Re: Horká voda
Marek Fucila,2023-09-05 11:53:30
Nadoby by mohli byt kovove privarene na kovovej podlozke a uz spolu zamrazene v mraznicke. Voda vy sa do oboch naraz naliala, a potom by sa sledovala rychlost chadenia a nasledneho mrznutia.
Mna v tejto suvislosti vzdy zaujimalo, ako velmi sa ochladi caj pri nalievani do salky. Nech ma na zaciatku 100% celzia. Bud ho nalejem "normalne" - rychlo, s primeranym prietokom, alebo ako to robia niekde v azii, ze z vysky tenkym prudom. Ako velmi sa ochladi pri druhom nalievani. Raz mozno urobim aj pokus. :-) Takze nalievanie by malo byt pri prevereni Mpembovho javu do oboch nadom pokial mozno rovnake.
Aj v prrilozenom videu hovori autor, ze sa mu to ani po troch pokusoch nepodarilo dokazat...
Pernikovy Cunik,2023-09-04 09:18:33
Mě ten jev příjde logický. Je to jako děcka ve škole. Čím víc lítají, tím rychleji jim dojde energie :-)
Nereprodukoval jsem
Jiří Kolafa,2023-09-04 08:43:43
Jev (klasický) se mi nepodařilo reprodukovat. Otázka spíš zní, zda (vůbec) existují podmínky, kdy nastane.
Stručně viz zde: http://old.vscht.cz/fch/cz/pomucky/kolafa/wateran.pdf#page=26
a zde: https://vesmir.cz/cz/on-line-clanky/2014/07/struktura-anomalie-vody.html
Ľad do whisky ?
Pavel Gašperík,2023-09-04 07:49:11
Whisky sa pije v Škótsku pri izbovej teplote bez ľadu . Zdôvodňuju to tak, že ladom schladený nápoj znižuje citlivosť chuťových receptorov . Dokonca maju pripravenú nádobku s vodou , z ktorej pár kvapiek kvapnu do pohárika s whisky s cieľom zvýrazniť vôňu nápoja .
Ľad v nápoji odmietal aj " Archimedes" - Jean Gabin , stvárnil postavu tuláka Archimeda v legendárnom filme z roku 1959 . Podla toho zvyku dostal filmovú prezývku a vždy citoval Archimedov zákon ...
Led do whisky
Miroslav Pragl,2023-09-03 21:55:09
A proto se led do koktejlu dela odjakziva z prevarene (a jeste horke) vody. Aby led rostl zdrave a byl krasny.
MP
Re: Led do whisky
Zdenek Svindrych,2023-09-08 20:40:32
Ono to záleží.
Převařená voda má v sobě mnohem méně rozpuštěných plynů, takže při mrznutí nevznikají v ledu bubliny. Taky je většinou v převařené vodě víc krystalů CaCO3, protože vařením unikne většina CO2 (H2CO3) a stoupne pH. Tyto dva faktory mají významný vliv na "čistotu" ledu, dále pak tvar nádoby, který ovlivní rychlost chladnutí a konvekci v kapalině.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
