Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената

В историята на природните науки има един особено досаден тип явления, които изглеждат толкова елементарни, че лабораторният елит подминава с лекота първите им симптоми. Когато Денис Осбърн, професор по физика в Университета в Дар ес Салам, посреща през 1967 година младия Мпемба и решава да тества неговия абсурден сигнал с обикновена вода от чешмата, едва ли е подозирал, че отваря вратата към термодинамично архивно гробище. Публикуваният през 1969 година съвместен доклад в списание Physics Education установява ясна аномалия: при определени условия вода с начална температура от 90 градуса по Целзий замръзва за значително по-кратко време от вода, стартирала от 35 градуса.

Ако отворим класическите учебници по термодинамика, логиката е желязна. Системата с по-висока енталпия трябва първо да премине през състоянието на системата с по-ниска енталпия, губейки топлина по пътя си, което чисто времево би следвало да отнеме повече период. Самият Аристотел в своята „Метеорология“ отбелязва подобно явление при жителите на Понт, които използвали гореща вода за бързо замразяване при риболов. Франсис Бейкън в „Novum Organum“ и Рене Декарт в своите дискурси също споменават за ефекта. Всички те обаче остават без точни измервателни уреди, разчитайки единствено на сетивни наблюдения.

Реалният проблем на парадокса Мпемба не е в липсата на хипотези, а в тяхното свръхизобилие. Когато една водна маса се нагрява, настъпва интензивно изпарение. Това автоматично намалява нейната крайна маса. По-малката маса се охлажда по-бързо. Твърде проста теория, която обаче поддава веднага щом експериментът се проведе в запечатан стъклен съд без загуба на пара, където ефектът въпреки това се появява отново.

Тогава на сцена стъпва конвекцията. Горещият съд създава стръмен температурен градиент спрямо фризера. Образуват се мощни вътрешни течения на Релей-Бенар, които изтласкват топлата течност към повърхността и ускоряват излъчването. В охладената предварително вода тези течения са мудни, а повърхностният ѝ слой бързо формира изолационен микрослой.

Не бива да пренебрегваме и химията на разтворените газове. Водата от водопроводната мрежа съдържа разтворен кислород и въглероден диоксид, които при нагряване се изхвърлят извън течността. Въздухът действа като разтворител, подтискащ кристализацията. Изтласкването на газовете променя вискозитета, повърхностното напрежение и температурата на преохлаждане.

През 2016 година група изследователи от Университета Симон Фрейзър във Ванкувър, водена от физика Джонатан Бичоф, публикува опустошителен доклад в Nature Scientific Reports. Анализирайки стотици опити при контролирани лабораторни условия с минимални температурни колебания, екипът заяви, че ефектът на Мпемба просто не може да бъде систематично възпроизведен. Според техните заключителни данни най-малката неточност в геометрията на съда, микроскопските грапавини по стените на чашата или дебелината на ледения слой под контейнера променят коефициента на топлопредаване с проценти, достатъчни да инсценират илюзия за по-бързо замръзване.