Určitě si říkáte, co to je za otázku? Přece studená voda zmrzne dřív, to dá rozum. Pokud jste více méně pravidelnými čtenáři těchto řádků, tak už víte, že ne vždy to, co je na první pohled jasné a tváří se logicky, taky správné a logické je. Otázka, která je položená v titulku, se zdá velmi jednoduchá. Je možná tak stará, jak fyzika sama. Jejím řešením se marně zabývaly mnohé chytré hlavy (namátkou Aristoteles, Francis Bacon, Giovanni Marliani, René Descartes) a nutno říct, že zcela uspokojivě tento jev není vysvětlený dodnes.
Dnešní pokus si klidně vyzkoušejte. Nejsem si jistý, zda se vám vyvede k potěšení pana Mpemby a všech ostatních, kteří se ním zabývali. Možná že ano, možná že ne. Já patřím k té druhé skupince experimentátorů. Ale vy jste určitě precizně pečliví.
Jevu, při kterém studená a horká voda mrznou jinak, než bychom předpokládali, se říká Mpembův efekt. Poněkud podivné jméno má po Erasto Mpembovi z Tanzánie. Mpemba se s nim setkal jako 13letý školák. Studenti základní školy v Irinze si ve školní kuchyňce připravovali zmrzlinu. Postup byl jednoduchý – dát vařit mléko, osladit, nechat vychladnout na pokojovou teplotu a pak strčit do mrazničky. Mpemba chtěl využít posledního místečka v mrazničce, a tak nečekal, až mu připravená mléčná směs ztuhne, a dal ji do mrazáku ještě teplou. Ke svému překvapení zjistil, že jeho zmrzlina zezmrzlinovatěla nejdříve. Vše ohlásil svému učiteli, ale ten ho odbyl, že si vymýšlí. (To se občas stává, ale věřím, že vy jste se s podobným odmítnutím ještě nesetkali.) Problém se tak na několik let uložil k ledu. Ředitel střední školy, na které Mpemba po ukončení základní školy studoval, pozval jednou na fyzikální přednášku univerzitního profesora Denise Osborna. Po přednášce panu Osbornovi Mpemba položil otázku: „Jestliže dáte do dvou stejných nádob dvě stejná množství vody – jednu o teplotě asi 35 °C a druhou o teplotě 100°C – a obě nádoby dáte do mrazničky, pak horká voda zmrzne dřív. Proč?“ Osborne byl stejně jako Mpembovi spolužáci spíše pobaven „nesmyslností“ otázky, ale nedalo mu to a pokus několikrát zopakoval. A hle, Mpemba má skutečně pravdu! Oba pak publikovali zprávu o tomto pokuse v roce 1969 v časopise Physics Education.
Přestože se tento jev zdá být velmi podivný, je velmi často pozorovatelný v praxi, aniž si ho uvědomujeme. Tak třeba pokud mrzne, nebudeme auto umývat horkou vodou, protože ta zmrzne dřív než studená. V některých městech vyrábí rodiče mezi domy na sídlišti pro své děti kluziště a polévají ho horkou vodou. Pokus v různých obměnách můžete samozřejmě vyzkoušet i vy. Dejte do dvou stejných nádob stejné množství vody přibližně o teplotách popsaných výše a hrnce vyneste na balkón (větší pravděpodobnost zdaru pokusu mají ti, co mohou vynést hrnce na otevřené prostranství – třeba na dvůr). Vodu kontrolujte a nechejte se výsledkem pokusu náležitě překvapit. Možná i vám horká voda zmrzne jako první. Jestli se vám to napoprvé, napodruhé, napotřetí,… nepodaří, připomeňte si důležitou fyzikální pravdu: fyzikální experiment se vždy povede a vyjde správně, může však proběhnout úplně jinak, než jsme čekali. Pokud se vám pokus nedaří pořád a pořád, navrhuji trošičku změnit podmínky, za kterých pokus provádíte – do jedné nádoby dejte vodu studenou, tak jak má být a do druhé vodu vařící. A šup na mráz. To by bylo, aby se to teď nepodařilo… Jestli se rozhodnete pokus s mrznutím horké a studené vody provádět, rozhodně horkou vodu nedávejte do mrazničky a využijte přírodní podmínky. Věřte, že by se to vaší mrazničce nemuselo a možná, že by vám pak dokonce odmítala mrazit.
Proč horká voda mrzne právě tímto způsobem, se dodnes nepodařilo nikomu uspokojivě vysvětlit. Třeba to čeká právě na vás. My se prozatím můžeme jen dohadovat. Tak třeba: horká voda se rychleji odpařuje a čím rychleji se kapalina odpařuje, tím rychleji jí ubývá teplo. Zároveň se odpařováním zmenšuje její objem a kapalina o menším objemu se ochlazuje také rychleji. Nebo: při varu vody se v ní vytvářejí bublinky, které unikají na hladinu a tam praskají – ve vodě, která prošla varem, je objem plynů menší, což může mít vliv na vytváření krystalků ledu. Všechno jsou to bohužel prozatím spekulace. Dokonce i dnes popsaný pokus se nemusí pokaždé podařit. Ještě spoustu toho o přírodě a dějích v ní nevíme.
Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. A hlavně se u pokusů dobře bavte!
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby – i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy.
