Bugün öğrendim ki: Mpemba Etkisi: Sıcak sıvılar neden daha hızlı donuyor?
Mpemba'nın Gözlemi

[düzenle]

Bu etki, adını 1963 yılında Tanganyika'daki Magamba Ortaokulu'nun 3. sınıfında bu durumu fark eden Tanzanyalı öğrenci Erasto Mpemba'dan alır. Mpemba, yemek dersinde sıcak bir dondurma karışımının, soğuk bir karışıma göre daha çabuk donduğunu fark etmiştir. Daha sonra Iringa'daki Mkwawa Ortaokulu'nda (eski adıyla Lise) öğrenci olarak devam eden Mpemba, okul müdürünün Dar es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Dr. Denis Osborne'ı fizik dersi vermesi için davet etmesi üzerine bir soru sordu: "Aynı hacimde su içeren iki benzer kap alalım; birinin sıcaklığı 35 °C (95 °F), diğerinin 100 °C (212 °F) olsun. Bunları bir dondurucuya koyduğumuzda, 100 °C (212 °F) ile başlayan su neden önce donuyor?" Osborne başlangıçta öğrencinin yanıldığını düşündü ancak sorudan etkilenerek konuyu kendi iş yerinde 실험 etti ve Mpemba'nın bulgusunu doğrulayabildiğini görünce şaşırdı. Osborne ve Mpemba, Mpemba'nın Afrika Yaban Hayatı Yönetimi Koleji'nde eğitim gördüğü 1969 yılında sonuçları birlikte yayımladılar.

Mpemba ve Osborne, 70 ml'lik su örneklerini 100 ml'lik beherlere koyup polistiren köpük bir tabak üzerinde ev tipi bir buzdolabının dondurucu bölümüne yerleştirdikleri bir deneyi tanımladılar. Deneyde, 25 °C (77 °F) başlangıç sıcaklığına sahip örneklerin donmaya başlama süresinin en uzun olduğu, 90 °C (194 °F) civarında ise bu sürenin çok daha kısa olduğu görüldü. Çözünmüş gazların etkisi ve buharlaşmaya bağlı sıvı hacmi kaybının önemli faktörler olmadığını belirlediler. Kurdukları düzeneğe göre, ısı kaybının büyük bir kısmının sıvının yüzeyinden gerçekleştiği tespit edildi.

Sudaki etkilerin incelenmesi

[düzenle]

Özellikleri iyi bilinen dondurucular kullanılarak yapılan modern çalışmalar, suyun donmadan önce aşırı soğuduğu Mpemba etkisini gözlemlemiştir. Başlangıçta daha soğuk olan su, donmadan önce daha düşük bir aşırı soğuma sıcaklığına ulaşma eğilimi gösterir. Bazı çalışmalar, bir örneğin donmaya başlama süresini (ilk kez donma ısısının açığa çıkmaya başladığı an olan "rekalessans" başlangıcı), tamamen donma süresini veya bu ikisi arasındaki farkı ölçer. Bazıları ise henüz hiçbir donma belirtisi göstermeden örneğin sıvının donma noktasına ulaşma süresini ölçer.

1995 yılında David Auerbach, sıvı soğutma banyosuna yerleştirilen cam beherleri inceledi; burada su, donmadan önce -6 ila -18 °C (21 ila 0 °F; 267 ila 255 K) sıcaklığa kadar aşırı soğudu. Bazı durumlarda, başlangıçta daha sıcak olan su önce donmaya başladı. Kendiliğinden donmanın başlaması için gereken sürede önemli miktarda rastgele değişim gözlemlendi ve Auerbach, ortam sıcaklığı -6 ila -12 °C (21 ila 10 °F) arasındayken Mpemba etkisinin daha sık görüldüğünü saptadı. James Brownridge daha sonra çeşitli başlangıç koşullarını ve kapları inceleyerek rekalessans başlangıç süresini ölçtü ve sıcak örneklerin bazen önce donduğunu, ancak bunun sıvı kabının özelliklerinden de etkilendiğini buldu.

New Scientist dergisi için yazan Mick O'Hare, etkiyi en üst düzeye çıkarmak için deneyin sırasıyla 35 ve 5 °C (95 ve 41 °F; 308 ve 278 K) sıcaklıktaki kaplarla başlatılmasını önerdi.

2021 yılında John Bechhoefer, bu etkinin güvenilir bir şekilde yeniden üretilmesini sağlayan bir yöntem tanımladı. 2024 yılında Argelia Ortega ve arkadaşları, bir Peltier hücresinde küçük (1 ila 20 mL) damlaların donmasını termografik kamera ile incelediler ve sıcak damlaların soğuk olanlara göre tutarlı bir şekilde daha hızlı donduğunu, bu farkın büyük damlolarda daha belirgin olduğunu buldular. Özellikle sıcak damlalar, rekalessans başlangıcından sonra daha çabuk donmayı tamamladılar ve donma süreci boyunca daha az sıcaklık sıçraması yaşadılar.

Su ile yapılan deneylere yönelik eleştiriler

Bazı araştırmacılar, Mpemba etkisi çalışmalarının çözünmüş katı maddeleri, gazları ve diğer karmaşık faktörleri hesaba katmadığını savunarak bu çalışmaları eleştirdi. Bir tanıma üzerinde uzlaşan ve bazı deneysel düzeneklerde Mpemba etkisini gözlemleyen çalışmalar bile, tüm düzeneklerde ve başlangıç koşullarında bu etkiyi gözlemleyemeyebiliyor.

2006 yılında Physics World editörü Philip Ball, bu etkiyi inceleyen deneylerin çok sayıda başlangıç parametresini kontrol etmesi gerektiğini belirtti. Araştırmacılar donma zamanını belirlemek için bir yöntem seçmeli; ardından suyun tipi ve başlangıç sıcaklığı, izin verilen çözünmüş gaz ve diğer safsızlık miktarı, kabın boyutu, şekli ve malzemesi, soğutma yöntemi ve buzdolabının sıcaklığı gibi kriterleri belirlemelidir. Ball, etkinin gözlemlenebileceği basit yollardan bahsetti; örneğin, daha sıcak bir sıcaklığın soğutma yüzeyindeki kıroi buzunu eriterek soğutma yüzeyi ile su kabı arasındaki ısı iletkenliğini artırabileceğini belirtti.

2016 yılında Burridge ve Linden, su örneklerinin 0 °C'ye ulaşması ancak donmaması için geçen süreyi içeren biraz farklı bir ölçümü incelediler. İlgili çalışmaların incelemesinde, ilk deneylerde gözlemlenen büyük etkilerin 0 °C'ye soğuma üzerine yapılan diğer çalışmalarda tekrarlanmadığını ve küçük etkiler gösteren çalışmaların termometrelerin konumundaki değişimlerden etkilenebileceğini not ettiler. Çalışmalarının sonucunda, "Mpemba etkisinin anlamlı gözlemlerini destekleyen herhangi bir kanıt bulunmadığı" sonucuna vardılar.