Кіріспе

Ыстық судың суыққа қарағанда тез қатуының табиғи құбылысы Мпемба эффектісі деп аталады. Бұл эффектінің мәні – бастапқыда ыстық сұйықтық (көбінесе су) басқа жағдайлар бірдей болғанда, суық сұйықтықтан гөрі жылдам қатуы мүмкін екендігінде. Оның теориялық негізі және осы эффектіні тудыру үшін қажетті шарттар туралы пікірлер әртүрлі. Мпемба эффектісі 1963 жылы орта мектеп оқушысы кезінде осы құбылысты сипаттаған Танзаниялық ғалым Эрасто Бартоломео Мпембаның есімімен аталған. Осы эффектінің алғашқы ашылуы мен байқаулары көне заманға дейін барады; Аристотель бұл бәріне белгілі нәрсе деп айтқан.

Анықтама

Бұл құбылысты "қайнаған су суық судан тез мұздайды" деп түсінгенде, оны қайта жасау немесе растау қиын, өйткені ол дұрыс анықталмаған. Тіпті Женгтің анықтамасымен, "мұздау" судың көзге көрінетін мұз қабатын қалыптастыратын нүктесін білдіре ме, судың барлық көлемі мұздың қатты блогына айналатын нүктесін білдіре ме, әлде су Аристотельдің түсіндірмесіндегідей антиперистазисқа жеткенде ме – "қайшы сапамен оралатындықтан сапаның күшін күшейту" дейді. Фрэнсис Бэкон "біршама жылы су, толыққанды суық судан гөрі тез қатып қалады" деп атап көрсетті. Рене Декарт өзінің "Әдістеме туралы эссесінде" бұл құбылысты өзінің айналмалы қозғалыс теориясымен байланыстыра отырып, былай деп жазды: "Тәжірибе көрсеткендей, ұзақ уақыт отта қайнатылған су басқа судан тез мұздайды, себебі оның бұрылуын тоқтатуға ең нашар қабілетті бөлшектері су қайнағанда буланып кетеді". Шотландиялық ғалым Джозеф Блэк бұл құбылыстың ерекше жағдайын зерттеді, бұрын қайнатылған суды қайнатылмаған сумен салыстырды; ол бұрын қайнатылған судың тез мұздағанын анықтады. Булануды бақылауға алды. Ол эксперимент нәтижелеріне араластырудың әсерін талқылап, қайнатылмаған суды араластырудың бұрын қайнатылған сумен бірдей уақытта мұздап қалуына, ал өте суық қайнатылмаған суды араластырудың дереу мұздап қалуына әкелетінін атап өтті. Джозеф Блэк кейін Дэниел Габриэль Фаренгейттің судың қатты суытуын сипаттағанын талқылап, бұрын қайнатылған судың оңай суытылмайтынын дәлелдеді.

Мпембаның байқауы

Эффекттің аты танзаниялық ғалым Эрасто Мпембаның есімімен аталған. Ол 1963 жылы Танганьикадағы Магамба орта мектебінің 3-сыныбында осы құбылысты сипаттады; ас дайындау сабағында ыстық балмұздақ қоспасын мұздату кезінде, ол суық қоспадан бұрын мұздағанын байқады. Кейіннен Ирингадағы Мквава орта мектебінде (бұрынғы Жоғары мектеп) оқыды. Мектеп директоры Дар-эс-Салам университетінің профессоры Денис Осборнды физика бойынша лекция оқуға шақырды. Лекциядан кейін Мпемба одан: "Егер сіз екі бірдей ыдысқа тең көлемде суды салсаңыз, бірін 0,5°C, екіншісін 0,6°C температурада, және оларды тоңазытқышқа қойсаңыз, бастапқы температурасы жоғарырақ болған ыдыс бірінші болып қатаяды. Неге?" деп сұрады. Мпембаны сыныптастары да, мұғалімі де әуелі қысымға алды. Алайда, бастапқыда қорқынышқа ұшырағаннан кейін Осборн өз жұмыс орнында осы мәселе бойынша тәжірибе жүргізіп, Мпембаның тұжырымын растады. 1969 жылы Мпемба Африканың жабайы табиғатты басқару колледжінде оқып жүргенде, олар осы зерттеудің нәтижелерін жариялады. Мпемба мен Осборн су үлгілерін үйдегі тоңазытқыштың мұздатқыш бөліміндегі стақандарға, полистирол көбік табақшаға қоюын сипаттады. Олар қату процесінің ең ұзаққа созылуын бастапқы температурасы 0,5°C болғанда байқады және шамамен 0,6°C температурада ол айтарлықтай қысқарды. Олар булану арқылы сұйықтық көлемінің азаюын және еріген ауаның әсерін маңызды факторлар ретінде жоққа шығарды. Олардың құрылғысында жылудың көп бөлігі сұйықтық бетінен жоғалғаны анықталды. 2016 жылы Бурридж пен Линден критерийді 0°C температураға жету уақыты ретінде анықтады, тәжірибелер жүргізді және осы уақытқа дейін жарияланған зерттеулерді қарастырды. Олар бастапқыда айтылған үлкен айырмашылықтың қайталанбағанын және шағын әсерді көрсететін зерттеулерге термометрлердің орналасуындағы өзгерістердің әсер етуі мүмкін екенін атап өтті: "Өкінішке орай, Мпемба эффектісінің мағыналы байқауларын қолдайтын ешқандай дәлел жоқ деп қорытындылаймыз". Мпемба эффектісін растайтын тәжірибелік нәтижелер кемшіліктері үшін сынға алынды, еріген қатты заттар мен газдар және басқа да бөгеттеуші факторлар ескерілмеді. Physics World журналының сарапшысы Филип Болл былай деп жазды: "Мпемба эффектісі шын болса да, егер ыстық су кейде суық судан тез қатып қалса, онда түсіндірме қарапайым немесе маңызды бола ма, жоқ па, ол әлі белгісіз". New Scientist журналы экспериментті максималды әсер алу үшін ыдыстарды 0,05°C және 0,6°C температурадан бастауды ұсынады. Осыған байланысты жүргізілген зерттеуде тоңазытқыш температурасы Мпемба құбылысын байқау ықтималдығына, ыдыс температурасы сияқты, әсер ететіндігі анықталды.