Miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg víz? Melyik víz fagy le gyorsabban - meleg vagy hideg?

A meleg víznél gyorsabb fagy jelenségét a tudomány Mpemba-effektusként ismeri. Nagy elmék, mint Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes elmélkedtek ezen a paradox jelenségen, de évezredek óta senki sem tudott ésszerű magyarázatot adni erre a jelenségre.

Csak 1963-ban vette észre ezt a hatást egy Tanganyika Köztársaságból származó iskolás, Erasto Mpemba a fagylalt példáján, de egyetlen felnőtt sem adott neki magyarázatot. Ennek ellenére a fizikusok és a kémikusok komolyan elgondolkodtak egy ilyen egyszerű, de annyira érthetetlen jelenségen.

Azóta különböző verziók születtek, amelyek közül az egyik a következő volt: a forró víz egy része először egyszerűen elpárolog, majd amikor kevesebb marad belőle, a víz gyorsabban megfagy. Ez a verzió egyszerűsége miatt a legnépszerűbb lett, de nem elégítette ki teljesen a tudósokat.

A szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatócsoportja, Xi Zhang vegyész vezetésével azt állítja, hogy megfejtették azt az ősi rejtélyt, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg víz. Kínai szakértők rájöttek, a titok a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyiségében rejlik.

Mint tudják, a vízmolekulák egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze, ami részecskeszinten úgy néz ki, mint egy elektroncsere. Egy másik jól ismert tény, hogy a hidrogénatomokat a szomszédos molekulák oxigénatomjai vonzzák – hidrogénkötések jönnek létre.

Ugyanakkor a vízmolekulák általában taszítják egymást. A szingapúri tudósok észrevették: minél melegebb a víz, annál nagyobb a távolság a folyadék molekulái között a taszító erők növekedése miatt. Ennek eredményeként a hidrogénkötések megnyúlnak, és így több energiát tárolnak. Ez az energia akkor szabadul fel, amikor a víz lehűl – a molekulák közelebb kerülnek egymáshoz. Az energia felszabadulása pedig, mint ismeretes, lehűlést jelent.

Amint azt a vegyészek írják cikkükben, amely az arXiv.org preprint weboldalon található, forró vízben a hidrogénkötések erősebbek, mint a hideg vízben. Így kiderül, hogy a forró víz hidrogénkötéseiben több energia raktározódik el, ami azt jelenti, hogy a nulla alatti hőmérsékletre hűtve több energia szabadul fel. Emiatt a keményedés gyorsabban megy végbe.

A mai napig a tudósok csak elméleti úton oldották meg ezt a rejtélyt. Amikor meggyőző bizonyítékokat mutatnak be verziójukra, lezártnak tekinthető az a kérdés, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg.

Sok kutató terjesztette elő és terjeszti elő saját verzióját arra vonatkozóan, hogy a forró víz miért fagy le gyorsabban, mint a hideg. Paradoxonnak tűnik - elvégre ahhoz, hogy megfagyjon, a forró víznek először le kell hűlnie. A tény azonban tény marad, és a tudósok többféleképpen magyarázzák.

Főbb verziók

Jelenleg több változat is megmagyarázza ezt a tényt:

1. Mivel a forró víz gyorsabban elpárolog, térfogata csökken. És kisebb mennyiségű víz azonos hőmérsékletű fagyása gyorsabban megy végbe.
2. A hűtőszekrény fagyasztórekeszében hóbetét található. Egy forró vizet tartalmazó edény megolvasztja alatta a havat. Ez javítja a fagyasztóval való termikus érintkezést.
3. A hideg víz megfagyása a forró vízzel ellentétben a tetején kezdődik. Ugyanakkor a konvekció és a hősugárzás, és ennek következtében a hőveszteség romlik.
4. A hideg víz kristályosodási központokat tartalmaz - benne oldott anyagokat. Ha kicsi a víztartalmuk, akkor a jegesedés nehézkes, bár ugyanakkor lehetséges a túlhűtés - nulla alatti hőmérsékleten folyékony halmazállapotú.

Bár az igazság kedvéért elmondhatjuk, hogy ez a hatás nem mindig figyelhető meg. Nagyon gyakran a hideg víz gyorsabban lefagy, mint a forró víz.

Milyen hőmérsékleten fagy meg a víz

Miért fagy meg egyáltalán a víz? Bizonyos mennyiségű ásványi vagy szerves részecskét tartalmaz. Ezek lehetnek például nagyon kis homok-, por- vagy agyagszemcsék. Ahogy a levegő hőmérséklete csökken, ezek a részecskék azok a központok, amelyek körül jégkristályok képződnek.

A kristályosodási magok szerepét a vizet tartalmazó tartály légbuborékai és repedései is betölthetik. A víz jéggé alakításának sebességét nagymértékben befolyásolja az ilyen központok száma - ha sok van belőlük, a folyadék gyorsabban fagy meg. Normál körülmények között, normál légköri nyomás mellett a víz 0 fokos hőmérsékleten folyadékból szilárd halmazállapotúvá válik.

Az Mpemba effektus lényege

Az Mpemba-effektus egy paradoxon, melynek lényege, hogy bizonyos körülmények között a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Erre a jelenségre Arisztotelész és Descartes is felfigyelt. A tanzániai iskolás, Erasto Mpemba azonban csak 1963-ban állapította meg, hogy a forró fagylalt rövidebb idő alatt megdermed, mint a hideg fagylalt. Erre a következtetésre jutott egy főzési feladat elvégzése közben.

A felforralt tejben fel kellett oldania a cukrot, és miután lehűtötte, hűtőszekrénybe tette megdermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt különösebben szorgalmas, és későn kezdte el a feladat első részét. Ezért nem várta meg, hogy a tej kihűljön, hanem forrón betette a hűtőbe. Nagyon meglepődött, amikor még gyorsabban lefagyott, mint osztálytársaié, akik az adott technológiának megfelelően végezték a munkát.

Ez a tény nagyon érdekelte a fiatalembert, és kísérleteket kezdett sima vízzel. 1969-ben a Physics Education folyóirat publikálta Mpemba és Dennis Osborne, a Dar es Salaam Egyetem professzora által végzett kutatások eredményeit. Az általuk leírt hatás az Mpemba nevet kapta. A jelenségre azonban még ma sincs egyértelmű magyarázat. Minden tudós egyetért abban, hogy ebben a főszerep a hűtött és a forró víz tulajdonságainak különbsége, de hogy pontosan mi, az nem ismert.

Szingapúri verzió

Az egyik szingapúri egyetem fizikusait az is érdekelte, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - meleg vagy hideg? Hszi Zhang vezette kutatócsoport pontosan a víz tulajdonságaival magyarázta ezt a paradoxont. Mindenki ismeri a víz összetételét az iskolából - egy oxigénatom és két hidrogénatom. Az oxigén bizonyos mértékig elhúzza az elektronokat a hidrogéntől, így a molekula egyfajta „mágnes”.

Ennek eredményeként a víz bizonyos molekulái enyhén vonzódnak egymáshoz, és hidrogénkötés köti össze őket. Erőssége sokszor kisebb, mint a kovalens kötésé. Szingapúri kutatók úgy vélik, hogy Mpemba paradoxonának magyarázata pontosan a hidrogénkötésekben rejlik. Ha a vízmolekulákat nagyon szorosan egymás mellé helyezzük, akkor a molekulák közötti ilyen erős kölcsönhatás deformálhatja a kovalens kötést magának a molekulának a közepén.

De amikor a vizet melegítjük, a megkötött molekulák kissé eltávolodnak egymástól. Ennek eredményeként a molekulák közepén a kovalens kötések relaxációja következik be, a felesleges energia felszabadulásával és az alacsonyabb energiaszintre való átállással. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a forró víz gyorsan lehűl. Legalábbis ezt mutatják a szingapúri tudósok elméleti számításai.

Azonnal megfagyó víz – 5 hihetetlen trükk: Videó

Az Mpemba-effektus avagy miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg víz? Az Mpemba-effektus (Mpemba-paradoxon) egy paradoxon, amely kimondja, hogy a forró víz bizonyos körülmények között gyorsabban fagy meg, mint a hideg víz, bár a fagyasztási folyamat során át kell haladnia a hideg víz hőmérsékletén. Ez a paradoxon egy kísérleti tény, amely ellentmond a szokásos elképzeléseknek, miszerint azonos körülmények között egy jobban felmelegedett testnek több idő kell egy bizonyos hőmérsékletre lehűlni, mint egy kevésbé felhevült testnek ugyanazon a hőmérsékletre. Erre a jelenségre egy időben Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes is felfigyelt, de a tanzániai iskolás, Erasto Mpemba csak 1963-ban fedezte fel, hogy a forró fagylaltkeverék gyorsabban megfagy, mint a hideg. Erasto Mpemba a tanzániai Magambi High School diákjaként gyakorlati munkát végzett szakácsként. Házi fagylaltot kellett készítenie – felforralni a tejet, feloldani benne a cukrot, lehűteni szobahőmérsékletűre, majd hűtőbe tenni megdermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt különösebben szorgalmas tanuló, és késett a feladat első részének teljesítésével. Attól tartva, hogy nem ér rá az óra végére, még forró tejet tett a hűtőbe. Meglepetésére még korábban megfagyott, mint a társai adott technológiával elkészített teje. Ezt követően Mpemba nemcsak tejjel, hanem közönséges vízzel is kísérletezett. Mindenesetre már az Mkwava Középiskola diákjaként a Dar es Salaam-i Egyetemi Főiskola professzorát, Dennis Osborne-t (az iskola igazgatója hívta meg, hogy tartson előadást fizikáról a diákoknak) konkrétan a vízről kérdezte: „Ha veszed két egyforma tartály egyenlő térfogatú vízzel úgy, hogy az egyikben a víz hőmérséklete 35 °C, a másikban - 100 °C legyen, és tedd a fagyasztóba, majd a másodikban a víz gyorsabban megfagy. Miért? Osborne felkeltette érdeklődését ez a kérdés, és hamarosan, 1969-ben, ő és Mpemba közzétették kísérleteik eredményeit a Physics Education folyóiratban. Azóta az általuk felfedezett hatást Mpemba-effektusnak hívják. Eddig senki sem tudja pontosan, hogyan magyarázza ezt a furcsa hatást. A tudósoknak nincs egyetlen verziója, bár sok van. A hideg és meleg víz tulajdonságainak különbségéről van szó, de még nem világos, hogy ebben az esetben mely tulajdonságok játszanak szerepet: a túlhűtés, a párolgás, a jégképződés, a konvekció vagy a cseppfolyósított gázok vízre gyakorolt ​​hatása különböző hőmérsékletek. Az Mpemba-effektus paradoxona, hogy annak az időnek, amely alatt a test lehűl a környezeti hőmérsékletre, arányosnak kell lennie a test és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel. Ezt a törvényt Newton állapította meg, és azóta a gyakorlatban is sokszor megerősítették. Ebben a hatásban a 100 °C-os víz 0 °C-kal gyorsabban hűl le, mint az azonos mennyiségű 35 °C-os víz. Ez azonban még nem jelent paradoxont, hiszen az Mpemba-effektus az ismert fizika keretein belül magyarázható. Íme néhány magyarázat az Mpemba-effektusra: Párolgás A forró víz gyorsabban elpárolog egy edényből, ezáltal csökken a térfogata, és egy kisebb térfogatú, azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg. A 100 C-ra melegített víz 0 C-ra hűtve tömegének 16%-át veszíti el. A párolgás hatása kettős hatású. Először is, csökken a hűtéshez szükséges víz tömege. Másodszor, a hőmérséklet csökken annak a ténynek köszönhetően, hogy a vízfázisból a gőzfázisba való átmenet párolgási hője csökken. Hőmérsékletkülönbség Mivel a meleg víz és a hideg levegő közötti hőmérsékletkülönbség nagyobb, ezért a hőcsere ilyenkor intenzívebb és a melegvíz gyorsabban hűl. Hipotermia Ha a víz 0 C alá hűl, nem mindig fagy meg. Bizonyos körülmények között túlhűlhet, és fagypont alatti hőmérsékleten továbbra is folyékony marad. Egyes esetekben a víz még -20 C hőmérsékleten is folyékony maradhat. Ennek a hatásnak az az oka, hogy az első jégkristályok kialakulásához kristályképző központokra van szükség. Ha nincsenek jelen a folyékony vízben, akkor a túlhűtés addig tart, amíg a hőmérséklet annyira le nem esik, hogy spontán kristályok képződjenek. Amikor elkezdenek kialakulni a túlhűtött folyadékban, gyorsabban kezdenek növekedni, és latyak jeget képeznek, amely jéggé fagy. A forró víz a leginkább érzékeny a hipotermiára, mivel a melegítés eltávolítja az oldott gázokat és a buborékokat, amelyek viszont a jégkristályok képződésének központjaként szolgálhatnak. Miért fagy le gyorsabban a forró víz a hipotermia miatt? Hideg víz esetében, amely nincs túlhűtve, a következő történik. Ebben az esetben az edény felületén vékony jégréteg képződik. Ez a jégréteg szigetelőként fog működni a víz és a hideg levegő között, és megakadályozza a további párolgást. A jégkristályok képződésének sebessége ebben az esetben alacsonyabb lesz. Túlhűtésnek kitett forró víz esetén a túlhűtött víznek nincs védő felületi jégrétege. Ezért a nyitott tetején keresztül sokkal gyorsabban veszít hőt. Amikor a túlhűtési folyamat véget ér és a víz megfagy, sokkal több hőt veszítenek, és így több jég képződik. Ennek a hatásnak a kutatói közül sokan a hipotermiát tartják a fő tényezőnek az Mpemba-hatás esetében. Konvekció A hideg víz felülről kezd megfagyni, ami rontja a hősugárzás és a konvekció folyamatait, és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról kezd megfagyni. Ezt a hatást a vízsűrűség anomáliája magyarázza. A víz maximális sűrűsége 4 C. Ha a vizet 4 C-ra hűtjük és alacsonyabb hőmérsékletre állítjuk, a felszíni vízréteg gyorsabban megfagy. Mivel ez a víz kevésbé sűrű, mint a 4 C-os hőmérsékletű víz, a felszínen marad, vékony hideg réteget képezve. Ilyen körülmények között rövid időn belül vékony jégréteg képződik a víz felszínén, de ez a jégréteg szigetelőként szolgál, védve a 4 C-os hőmérsékleten megmaradó alsó vízrétegeket. Ezért a további hűtési folyamat lassabb lesz. A melegvíz esetében teljesen más a helyzet. A víz felszíni rétege a párolgás és a nagyobb hőmérsékletkülönbség miatt gyorsabban lehűl. Ráadásul a hidegvizes rétegek sűrűbbek, mint a melegvizesek, így a hidegvizes réteg lesüllyed, a melegvizes réteget a felszínre emelve. Ez a vízkeringés biztosítja a gyors hőmérséklet-csökkenést. De miért nem ér el ez a folyamat az egyensúlyi pontot? Az Mpemba-effektusnak a konvekció ezen szemszögéből való magyarázatához szükséges lenne azt feltételezni, hogy a hideg és a meleg vízréteg elválik, és maga a konvekciós folyamat folytatódik, miután a víz átlagos hőmérséklete 4 C alá csökken. kísérleti adatok, amelyek megerősítik ezt a hipotézist, miszerint a hideg és a meleg vízrétegeket a konvekciós folyamat választja el egymástól. Vízben oldott gázok A víz mindig tartalmaz benne oldott gázokat - oxigént és szén-dioxidot. Ezek a gázok képesek csökkenteni a víz fagyáspontját. A víz melegítése során ezek a gázok felszabadulnak a vízből, mert vízben való oldhatóságuk alacsonyabb magas hőmérsékleten. Ezért a forró víz lehűlésekor mindig kevesebb oldott gázt tartalmaz, mint a fűtetlen hideg vízben. Ezért a felmelegített víz fagyáspontja magasabb, és gyorsabban fagy meg. Néha ezt a tényezőt tekintik a fő tényezőnek az Mpemba-effektus magyarázatában, bár ezt a tényt nem igazolják kísérleti adatok. Hővezetőképesség Ez a mechanizmus jelentős szerepet játszhat, amikor vizet helyeznek el a hűtőszekrényben, kis tartályokban. Ilyen körülmények között megfigyelték, hogy egy forró vizes tartály megolvasztja az alatta lévő fagyasztóban lévő jeget, ezáltal javítva a fagyasztó falával való hőkontaktust és a hővezető képességet. Ennek eredményeként a hő gyorsabban távozik a melegvíz-tartályból, mint a hidegből. A hideg vízzel töltött edény viszont nem olvasztja meg alatta a havat. Mindezeket (csakúgy, mint más) körülményeket számos kísérletben tanulmányozták, de egyértelmű választ arra a kérdésre, hogy melyik biztosítja az Mpemba-effektus száz százalékos reprodukálását, soha nem kapták meg. Például 1995-ben David Auerbach német fizikus a túlhűtő víz hatását tanulmányozta erre a hatásra. Felfedezte, hogy a túlhűtött állapotot elérő forró víz magasabb hőmérsékleten fagy meg, mint a hideg víz, ezért gyorsabban, mint az utóbbi. De a hideg víz gyorsabban éri el a túlhűtött állapotot, mint a forró víz, ezáltal kompenzálja a korábbi lemaradást. Ráadásul Auerbach eredményei ellentmondtak a korábbi adatoknak, miszerint a forró víz a kevesebb kristályosodási centrum miatt nagyobb túlhűtést tudott elérni. A vizet melegítve a benne oldott gázokat eltávolítják belőle, forralva pedig néhány benne oldott só kicsapódik. Egyelőre csak egy dolgot lehet kijelenteni - ennek a hatásnak a reprodukciója jelentősen függ a kísérlet végrehajtásának körülményeitől. Pontosan azért, mert nem mindig reprodukálják. O. V. Mosin

1963-ban egy Erasto Mpemba nevű tanzániai iskolás egy hülye kérdést tett fel tanárának: miért fagyott meg gyorsabban a meleg fagylalt a fagyasztójában, mint a hideg?

Erasto Mpemba a tanzániai Magambi High School diákjaként gyakorlati munkát végzett szakácsként. Házi fagylaltot kellett készítenie – felforralni a tejet, feloldani benne a cukrot, lehűteni szobahőmérsékletűre, majd hűtőbe tenni megdermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt különösebben szorgalmas tanuló, és késett a feladat első részének teljesítésével. Attól tartva, hogy nem ér rá az óra végére, még forró tejet tett a hűtőbe. Meglepetésére még korábban megfagyott, mint a társai adott technológiával elkészített teje.

A fizikatanárhoz fordult pontosításért, de ő csak nevetett a diákon, mondván: „Ez nem egyetemes fizika, hanem Mpemba fizika.” Ezt követően Mpemba nemcsak tejjel, hanem közönséges vízzel is kísérletezett.

Mindenesetre már az Mkwava Középiskola diákjaként a Dar es Salaam-i Egyetemi Főiskola professzorát, Dennis Osborne-t (az iskola igazgatója hívta meg, hogy tartson előadást fizikáról a diákoknak) konkrétan a vízről kérdezte: „Ha veszed két egyforma tartály egyenlő térfogatú vízzel úgy, hogy az egyikben a víz hőmérséklete 35 °C, a másikban - 100 °C legyen, és tedd a fagyasztóba, majd a másodikban a víz gyorsabban megfagy. Miért?" Osborne felkeltette érdeklődését ez a kérdés, és hamarosan, 1969-ben, ő és Mpemba közzétették kísérleteik eredményeit a Physics Education folyóiratban. Azóta az általuk felfedezett hatást Mpemba-effektusnak hívják.

Érdekli, hogy miért történik ez? Alig néhány évvel ezelőtt a tudósoknak sikerült megmagyarázniuk ezt a jelenséget...

Az Mpemba-effektus (Mpemba-paradoxon) egy paradoxon, amely kimondja, hogy a forró víz bizonyos körülmények között gyorsabban fagy meg, mint a hideg víz, bár a fagyasztási folyamat során át kell haladnia a hideg víz hőmérsékletén. Ez a paradoxon egy kísérleti tény, amely ellentmond a szokásos elképzeléseknek, miszerint azonos körülmények között egy jobban felmelegedett testnek több idő kell egy bizonyos hőmérsékletre lehűlni, mint egy kevésbé felhevült testnek ugyanazon a hőmérsékletre.

Erre a jelenségre a maguk idejében figyelt fel Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes. Eddig senki sem tudja pontosan, hogyan magyarázza ezt a furcsa hatást. A tudósoknak nincs egyetlen verziója, bár sok van. A hideg és meleg víz tulajdonságainak különbségéről van szó, de még nem világos, hogy ebben az esetben mely tulajdonságok játszanak szerepet: a túlhűtés, a párolgás, a jégképződés, a konvekció vagy a cseppfolyósított gázok vízre gyakorolt ​​hatása különböző hőmérsékletek. Az Mpemba-effektus paradoxona, hogy annak az időnek, amely alatt a test lehűl a környezeti hőmérsékletre, arányosnak kell lennie a test és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel. Ezt a törvényt Newton állapította meg, és azóta a gyakorlatban is sokszor megerősítették. Ebben a hatásban a 100 °C-os víz 0 °C-kal gyorsabban hűl le, mint az azonos mennyiségű 35 °C-os víz.

Azóta különböző verziók születtek, amelyek közül az egyik a következő volt: a forró víz egy része először egyszerűen elpárolog, majd amikor kevesebb marad belőle, a víz gyorsabban megfagy. Ez a verzió egyszerűsége miatt a legnépszerűbb lett, de nem elégítette ki teljesen a tudósokat.

A szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatócsoportja, Xi Zhang vegyész vezetésével azt állítja, hogy megfejtették azt az ősi rejtélyt, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg víz. Kínai szakértők rájöttek, a titok a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyiségében rejlik.

Mint tudják, a vízmolekulák egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze, ami részecskeszinten úgy néz ki, mint egy elektroncsere. Egy másik jól ismert tény, hogy a hidrogénatomokat a szomszédos molekulák oxigénatomjai vonzzák – hidrogénkötések jönnek létre.

Ugyanakkor a vízmolekulák általában taszítják egymást. A szingapúri tudósok észrevették: minél melegebb a víz, annál nagyobb a távolság a folyadék molekulái között a taszító erők növekedése miatt. Ennek eredményeként a hidrogénkötések megnyúlnak, és így több energiát tárolnak. Ez az energia akkor szabadul fel, amikor a víz lehűl – a molekulák közelebb kerülnek egymáshoz. Az energia felszabadulása pedig, mint ismeretes, lehűlést jelent.

Íme a tudósok feltételezései:

Párolgás

A forró víz gyorsabban elpárolog a tartályból, ezáltal csökken a térfogata, és kisebb térfogatú, azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg. A 100°C-ra melegített víz 0°C-ra hűtve tömegének 16%-át veszíti el. A párolgási hatás kettős hatás. Először is, csökken a hűtéshez szükséges víz tömege. Másodszor pedig a párolgás miatt a hőmérséklete csökken.

Hőmérséklet különbség

Tekintettel arra, hogy a meleg víz és a hideg levegő közötti hőmérsékletkülönbség nagyobb, ezért a hőcsere ebben az esetben intenzívebb és a meleg víz gyorsabban hűl le.

Hypothermia
Ha a víz 0°C alá hűl, nem mindig fagy meg. Bizonyos körülmények között túlhűlhet, és fagypont alatti hőmérsékleten továbbra is folyékony marad. Egyes esetekben a víz még -20°C hőmérsékleten is folyékony maradhat. Ennek a hatásnak az az oka, hogy az első jégkristályok kialakulásához kristályképző központokra van szükség. Ha nincsenek jelen a folyékony vízben, akkor a túlhűtés addig tart, amíg a hőmérséklet annyira le nem esik, hogy spontán kristályok képződjenek. Amikor elkezdenek kialakulni a túlhűtött folyadékban, gyorsabban növekedni kezdenek, latyak jeget képezve, amely jéggé fagy. A forró víz a leginkább érzékeny a hipotermiára, mivel a melegítés eltávolítja az oldott gázokat és a buborékokat, amelyek viszont a jégkristályok képződésének központjaként szolgálhatnak. Miért fagy le gyorsabban a forró víz a hipotermia miatt? Hideg, nem túlhűtött víz esetén a következő történik: felületén vékony jégréteg képződik, amely szigetelőként szolgál a víz és a hideg levegő között, és ezáltal megakadályozza a további párolgást. A jégkristályok képződésének sebessége ebben az esetben alacsonyabb lesz. Túlhűtésnek kitett forró víz esetén a túlhűtött víznek nincs védő felületi jégrétege. Ezért a nyitott tetején keresztül sokkal gyorsabban veszít hőt. Amikor a túlhűtési folyamat véget ér és a víz megfagy, sokkal több hőt veszítenek, és így több jég képződik. Ennek a hatásnak a kutatói közül sokan a hipotermiát tartják a fő tényezőnek az Mpemba-hatás esetében.
Konvekció

A hideg víz felülről kezd megfagyni, ami rontja a hősugárzás és a konvekció folyamatait, és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról kezd megfagyni. Ezt a hatást a vízsűrűség anomáliája magyarázza. A víz legnagyobb sűrűsége 4°C-on van. Ha a vizet 4°C-ra hűtjük és alacsonyabb hőmérsékletű környezetbe helyezzük, a felszíni vízréteg gyorsabban megfagy. Mivel ez a víz kevésbé sűrű, mint a 4°C-os víz, a felszínen marad, és vékony hideg réteget képez. Ilyen körülmények között rövid időn belül vékony jégréteg képződik a víz felszínén, de ez a jégréteg szigetelőként működik, védi az alsó vízrétegeket, amelyek 4°C-os hőmérsékleten maradnak. . Ezért a további hűtési folyamat lassabb lesz. A melegvíz esetében teljesen más a helyzet. A víz felszíni rétege a párolgás és a nagyobb hőmérsékletkülönbség miatt gyorsabban lehűl. Ezenkívül a hidegvizes rétegek sűrűbbek, mint a melegvizes rétegek, így a hidegvizes réteg lesüllyed, és a melegvizes réteg a felszínre kerül. Ez a vízkeringés biztosítja a gyors hőmérséklet-csökkenést. De miért nem ér el ez a folyamat az egyensúlyi pontot? Az Mpemba-effektus konvekció szempontjából történő magyarázatához szükséges lenne azt feltételezni, hogy a hideg és a meleg vízréteg elválik, és maga a konvekciós folyamat folytatódik, miután az átlagos vízhőmérséklet 4 °C alá csökken. Nincs azonban olyan kísérleti bizonyíték, amely alátámasztja ezt a hipotézist, miszerint a hideg és a meleg vízrétegeket a konvekciós folyamat választja el egymástól.

Vízben oldott gázok

A víz mindig tartalmaz benne oldott gázokat - oxigént és szén-dioxidot. Ezek a gázok képesek csökkenteni a víz fagyáspontját. A víz melegítése során ezek a gázok felszabadulnak a vízből, mert vízben való oldhatóságuk alacsonyabb magas hőmérsékleten. Ezért a forró víz lehűlésekor mindig kevesebb oldott gázt tartalmaz, mint a fűtetlen hideg vízben. Ezért a felmelegített víz fagyáspontja magasabb, és gyorsabban fagy meg. Néha ezt a tényezőt tekintik a fő tényezőnek az Mpemba-effektus magyarázatában, bár ezt a tényt nem igazolják kísérleti adatok.

Hővezető

Ez a mechanizmus jelentős szerepet játszhat, amikor vizet helyeznek el a hűtőszekrényben, kis tartályokban. Ilyen körülmények között megfigyelték, hogy egy forró vizes tartály megolvasztja az alatta lévő fagyasztóban lévő jeget, ezáltal javítva a fagyasztó falával való hőkontaktust és a hővezető képességet. Ennek eredményeként a hő gyorsabban távozik a melegvíz-tartályból, mint a hidegből. A hideg vízzel töltött edény viszont nem olvasztja meg alatta a havat. Mindezeket (és más) körülményeket számos kísérletben tanulmányozták, de egyértelmű választ nem kaptak arra a kérdésre, hogy melyik biztosítja az Mpemba-effektus 100%-os reprodukcióját. Például 1995-ben David Auerbach német fizikus a túlhűtő víz hatását tanulmányozta erre a hatásra. Felfedezte, hogy a túlhűtött állapotot elérő forró víz magasabb hőmérsékleten fagy meg, mint a hideg víz, ezért gyorsabban, mint az utóbbi. De a hideg víz gyorsabban éri el a túlhűtött állapotot, mint a forró víz, ezáltal kompenzálja a korábbi lemaradást. Ráadásul Auerbach eredményei ellentmondtak a korábbi adatoknak, miszerint a forró víz a kevesebb kristályosodási centrum miatt nagyobb túlhűtést tudott elérni. A vizet melegítve a benne oldott gázokat eltávolítják belőle, forralva pedig néhány benne oldott só kicsapódik. Egyelőre csak egy dolgot lehet kijelenteni: ennek a hatásnak a megismétlődése jelentősen függ attól, hogy milyen körülmények között végezzük a kísérletet. Pontosan azért, mert nem mindig reprodukálják.

De ahogy mondják, a legvalószínűbb ok.

Ahogy a vegyészek írják cikkükben, amely az arXiv.org preprint weboldalon található, a hidrogénkötések erősebbek a forró vízben, mint a hideg vízben. Így kiderül, hogy a forró víz hidrogénkötéseiben több energia raktározódik el, ami azt jelenti, hogy a nulla alatti hőmérsékletre hűtve több energia szabadul fel. Emiatt a keményedés gyorsabban megy végbe.

A mai napig a tudósok csak elméleti úton oldották meg ezt a rejtélyt. Amikor meggyőző bizonyítékokat mutatnak be verziójukra, lezártnak tekinthető az a kérdés, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg.