Student World

pravidlené páteční přetištění staršího článku

Pavel Demo z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR napsal pro červencové /7/2003/ vydání časopisu Vesmír článek, který se vrací k otázce rychlejšímu zamrzání dříve zahřáté vody. Jak celý jev vůbec funguje? Klíčem je kupodivu Platónův dialog Timaios a geometrické vlastni vody.

Demo se na začátku článku vrací k možným námitkám. Upozorňuje na argument, podle kterého zahřátá voda musí nejprve vychladnout na původní teplotu před zahřátím (a pak dál mrzne stejně jako voda nezahřátá, tj. celková doba musí být větší a obě křivky jsou prostě posunuté). Tato logická konstrukce je zdánlivě neprůstřelná, skutečnost ale může být složitější. Podle Dema je navíc celý jev dostatečně ověřen experimentálně – jako první se o něm údajně zmiňuje již Aristoteles (to samozřejmě není ještě žádný důkaz, v Aristotelových přírodovědeckých spisech je z dnešního pohledu velké množství nesmyslů).

Analogie hodně přitažená za vlasy: Pokud člověka uvaříte, taktéž pak zmrzne v antarktickém chladu rychleji než člověk neuvařená a tedy živý (a při vychládání projde mrtvola také původní „živou“ teplotou). Jde prostě o to, že zahřátí a následné ochladnutí může nějak změnit vlastnosti látky. U živého organismu je to zřejmé, u vody musíme zjistit, co se vlastně zahřátím změní.

Možné výklady jsou následující:
Demo jako první uvažuje vypařování. Zahřátím vody se zmenší její množství, tedy jí pak mrzne méně – a menší množství zmrzne tedy rychleji. Toto vysvětlení však nedává smysl. Proč by se potom měla takto vyrábět zmrzlina? To by stačilo nechat rovnou mrznout menší množství vody. Teplejší voda navíc mrzne rychleji i v uzavřené nádobě, kde se její hmotnost nemění.
Tytéž výhrady pak platí pro výklad, že zahřátím vypudíme z vody rozpuštěné plyny. Zde se zdá, že čistá voda by měla mrznout skutečně rychleji (voda s rozpuštěnými plyny či dalšími substancemi mrzne při nižší teplotě, viz břečka sněhu se solí o teplotě pod nulou). Nicméně tento výklad opět selhává, protože rychlejší tuhnutí funguje i v uzavřených systémech. Ani záměrné změny koncentrace rozpouštěných plynů nemají popsaný jev nevyvolávají.

Autor nakonec řeší celý problém značnou oklikou přes Platónův kosmologický dialog Timaios, v němž jsou v pythagorejské tradici jednotlivým živlům přiřazovány pravidelné mnohostěny. Vodě zde byl přiřazen dvacetistěn – ikosaedr. Kupodivu tomu tak skutečně je a uspořádání molekul kapalné vody na krátkou vzdálenost vykazuje tyto ikosaedrální rysy.
Led naproti tomu krystalizuje v šesterečné soustavě a dvacetistěn je pro něj nevhodným základem – i proto je možné připravit vodu, která je podchlazená pod 0 C. Pokud vodu zahřejeme, značnou část shluků vody o tvaru 20stěnu rozbijeme. Při chladnutí se už nestačí znovu utvořit (pokud vodu nechladíme rychle a necháme jí „stát“, struktura se obnoví a celý proces přijde vniveč) a šesterečný led se může tvořit rychleji.

Tímto výkladem samozřejmě není zdaleka řečeno, že ohřátí vody je obecně cesta k jejímu nejrychlejšímu ochlazení. Pouze se ukazuje, že existují fyzikální systémy, u kterých tento paradox může nastat a nejedná se o nic principiálně nemožného. Různým počátečním teplotám chlazené vody mohou prostě odpovídat různé teploty, při kterých se začne tvořit led.

Původní článek o tom, která voda zmrzne dřív:
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/53CB2463CEB00DBAC1256E970048C4E1 

autor Pavel Houser