Student World

Po nějaké době se na Science World vrací téma spíše zimní – může teplá voda skutečně zmrznout dříve než studená? Proč se kluziště polévají horkou vodou, souvisí to s tím snad nějak?
Na naše otázky odpovídá Martin Petrásek (http://www.petrasek.info). Na Slezské univerzitě v Opavě vystudoval Teoretickou fyziku a astrofyziku. Jeho dizertační práce se týká fyzikálních procesů v prostoročasech s nenulovou kosmologickou konstantou.

Starší články na toto téma:
Článek Martina Petráska na toto téma v časopise Svět vědy
http://www.petrasek.info/index.php/content/view/171/58/

Starší články na Science Worldu:
Proč může teplá voda skutečně zmrznout dřív.
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/21124433A48A0041C1256E970048FC8E

Ještě jednou k rychlejšímu mrznutí studené vody
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/64EE818E36B89AD6C1256E970048FE08

Skutečně je to tak, že když kluziště se dělá poléváním horkou vodou, má vztah teplota vody vztah k rychlosti zmrznutí? (Nemůže tady jít spíš o to, že chceme dostat led nějakého typu, hladký apod.?)

Způsob mrznutí nemůže mít z fyzikálního hlediska vliv na povrch vodní plochy (uvažujeme normální tlak). Alespoň ne makroskopický.
Na první pohled se to ale může zdát jako vysvětlení. Možná podpořeno tím, že úprava kluziště (např. o přestávce mezi hokejovými třetinami) se provádí teplým stěrem. Zde však jde o požadavek aby tenká vrstva povrchu rozmrzla kapalina vyplnila vzniklé nerovnosti a vytvořila vodorovnou plochu a opětovně zamrzla.
To, že led lépe mrzne právě za pomocí horké vody, je známo obecně, po krátké chvíli strávené nad touto myšlenkou ale musím podotknout, že nemám v ruce žádné objektivní vysvětlení pro toto tvrzení. Snad jen logickou úvahu, která říká, že dominujícím prvkem při snižování teploty povrchu kapaliny je rychlost jejího vypařování.

Verze "vypařování" má ale ten problém, že přece horká kapalina musí nejprve vychladnout na teplotu té studené, takže jakoby oba procesy jsou pak od sebe posunuté v čase. Verze, dle které kus kapaliny odpaříme a zbytek pak vychladne rychleji, protože jí je méně, se dá asi poměrně snadno ošetřit tak, že obě kapaliny před ochlazováním zvážíme. Zbývá tedy možnost, že to souvisí s tím, že z kapaliny odstraníme plyny (skutečně – kapalina s menším rozpuštěných plynů má vyšší bod tuhnutí). I tenhle faktor by asi šlo nějak ošetřit/eliminovat, ne?

Ano, tato skutečnost zde opravdu je na místě, ovšem zde si musíme uvědomit, jaký je rozdíl mezi teplotami kapalin. S horkou vodou v mrznutí očividně nevyhrajeme, pokud s ní bude soupeřit voda o teplotě 4°C.
Mpembův efekt byl ale postaven na pokusu vychlazeného mléka na pokojovou teplotu a horkého mléka (~70 C ?). Zde je rozdíl malý, ale vypařování umístěním do mrazáku je očividně podstatné. Zde, v tomto konkrétním případě, hraje tedy asi opravdu hlavní roli vypařování. Plyny pak hrají roli podružnou.

Pak zde zůstává možnost změněného proudění v kapalině nebo změněných vlastností podkladu, rychlejší přenos/výdej tepla. Jenže i tady – horká kapalina musí nejprve zchladnout, a tak to proudění by se mělo nejprve vrátit do „normálu“…

Otázka, zda zmrzne dříve horká nebo chladná voda, je opravdu vědeckým oříškem. Takže v tomto konkrétním případě, bez provedených testů, se nemohu vyjádřit. Mohu ale spekulovat.
Umístění nádoby (podklad). Rozmrznutím povrchu pod nádobou dojde k vytvoření těsnější vazby a ta během kapalného stavu vody vydrží kapalná a mrzne až po zmrznutí alespoň části kapaliny v nádobě (dosažením bodu tuhnutí) a i poté vytváří těsnější kontakt s nádobou.
Proudění. Ale proudění, pokud zamrzání probíhá rychle, může pokračovat setrvačností.
V obou bodech odpovědi ale závisí na velikosti nádob, tloušťce a materiálu stěn nádoby, teplotě uvnitř a teplotě vložených kapalin. Je to systém s příliš mnoha stupni volnosti. Moji odpověď tedy není možno brát jako jednoznačnou.

Klastry apod. Ano, to působí vcelku věrohodně, když řekněme, že při chladnutí z vyšší teploty se takovéhle struktury, které pak brání zmrznutí, nestačí vytvořit. Jak by se takovéhle útvary daly detekovat? (třeba nějakou NMR?)

Je to obdobné jako s bodem varu. Vezměte skleničku s vodou a umístěte ji do mikrovlnky. Na plný výkon nastavte na dvě minuty. Pokud vám nezačne vřít, pak je pravděpodobné, že se pokus povede. Opatrně otevřete dvířka mikrovlnky a do skleničky ťukněte třeba vidličkou. Voda začne vřít lavinovým efektem. Doporučuji rukavice a počítat s mírnou explozí vřící vody 😉
Ale k odpovědi: Myslím, že tento „otisk“ by mohl být patrný v samotném ledu. V podstatě by stačilo led rozbít například ultrazvukem anebo prostě mechanickým úderem (aby nedošlo k zahřátí a nepoškodila se struktura) a pak si dané kusy prohlédnout správným mikroskopem…

Nakonec se mi jako klíčové pro řešení toho problému zdá zodpovědět, zda mluvíme o vývoji teploty nebo o zmrznutí. (tj. – jedna možnost, horka voda rychleji zchladne, druhá možnost – zmrzne při jiné teplotě) Souhlasíte?

Rychlost změny teploty je odpovědí. Křivky rychlosti změny teploty se zřejmě nebudou shodovat mezi vodou teplou a chladnou. Jak moc, to záleží právě na probraných vlivech na mrznutí – chladnutí.

Poznámka: Zkoušel jsem pokus s hrníčky; jeden normální voda z kohoutku cca 20 C, druhý voda uvedená k počínajícímu varu. Šup oba hrníčky na mrazák. Studená voda zmrzla ale dříve, Mpembův jev se mi tedy experimentálně pozorovat nepodařilo. Zpovídaný v tomto rozhovoru došel k obdobným výsledkům…

autor Pavel Houser