• Pazartesi , 25 Eylül 2017

Neden sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar?

Bazı özel durumlarda sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar. Bu tarih boyunca Aristo ve Descartes gibi farklı kişilerce de gözlemlenen bir durum olsa da ismini 1963 yılında bunu tekrar dile getiren Erasto Npemba’dan almaktadır. Erasto Npemba, okuduğu liseye bir seminer için gelen Denis G. Osborne’a “Eğer 35 derece ve 100 derece sıcaklıkta aynı miktarda suyu dondurucuya koyarsak bu sulardan 100 derecede olanı daha önce donar. Neden?” diye sorar. Bunun üzerine bu olayı kontrollü deneyler ile test eden Osborne, durumun gerçekten böyle olduğunu görür ve Npemba ile bu durum üzerine 1969 yılında bir makale yayınlarlar.

Uzun süredir bu durumun nedenleri üzerine çeşitli bilim insanlarınca farklı yorumlar getirilmiştir. Bunlardan bazıları:

Buharlaşma — Başlangıçta sıcak olan su soğuk suyun sıcaklığına gelene buharlaşmanın etkisi ile bir miktar su kaybedecektir. Bu başlangıçta sıcak olan suyun kütlesinin azalmasına neden olacak ve bu da daha hızlı donmasını sağlayacaktır. Bu durumda başlangıçta soğuk olan sudan daha erken donmuş olacak ancak daha az buz miktarı içerecektir. Ancak bu bazı durumlarda çözüm üretmiş gibi görünse de kapalı kaplarda yapılan deneylerde de görülen Npemba etkisini açıklayamamaktadır.

Çözünmüş gazlar – Sıcak su soğuk suya nazaran daha az çözünmüş gazı bünyesinde barındırır. Bu durumda, başlangıçta sıcak su da soğuk suya nazaran daha az çözünmüş gaz olacaktır. Bu durumun ise daha hızlı donmaya neden olabileciği öne sürülmüştür. Ancak bu da tam olarak kanıtlanamamıştır.

Konveksiyon – Su soğurken konveksiyon akımları ve dengesiz bir ısı dağılımı oluşacaktır. Çoğu durumda sıcaklık arttıkça yoğunluk azalacak ve suyun yüzeyi aşağılara göre daha sıcak olacaktır. Eğer su sıcaklığını temel olarak yüzeyden kaybederse sıcak yüzeye sahip olan su daha hızlı ısı kaybedecektir. Bu da sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olabilir. Ancak bu da Npemba etkisini açıklamak için tek başına yeterli değildir.

Çevre – Sıcak ve soğuk su arasındaki fark, sulardan ziyade, ektiledikleri çevreden kaynaklanır. Başlangıçta sıcak olan su çevreyi daha karışık bir şekilde etkileyebilir ve bu da soğuma sürecini etkileyebilir. Örneğin su dolu kapların konulduğu yüzeydeki buz tabakası sıcak su dolu kap tarafından eritilebilir ve daha etkili bir soğuma sağlanabilir. Ancak Npemba etkisi için bu da yeterli bir açıklama değildir.

Bu yetersiz açıklamalardan sonra Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden  Xi Zhang, Zengsheng Ma ve Chang Q Sun Npemba etkisini açıklamıştır. Bu araştırmacılara göre Npemba etkisi suyun sahip olduğu farklı bağların sahip olduğu özellikler nedeniyle gerçekleşmektedir.

Bir su molekülü kovalent bağlı büyük bir oksijen atomu ve küçük iki hidrojen atomunu içermektedir. Su moleküllerini bir arada tutmak için de hidrojen bağları da önemli bir rol oynamaktadır. Bir moleküldeki hidrojen atomu diğer bir moleküldeki oksijen ile yakınlaşır ve ona bağlanır. Hidrojen bağları kovalent bağlara göre göre daha zayıf ancak van der Waals kuvvetlerine göre ise daha güçlüdür. Hidrojen bağları sayesinde suyun kaynama noktası benzer molekül yapısına sahip diğer sıvılara göre daha yüksektir.

Xi ve arkadaşlarına göre Npemba etkisi de bu hidrojen bağlarından kaynaklanmaktadır.Hidrojen bağları su moleküllerini bir arada tutar ve O-H kovalent bağları gerilirek enerji depolar. Su ısıtıldıkça, hidrojen bağları gerilir ve su molekülleri ayrılmaya başlar. Bu ise kovalent bağların büzülmesine ve depolanan enerjinin açığa çıkmasına neden olur. Burada önemli olan nokta enerjinin açığa çıkma süreci soğuma sürecine eşdeğerdir. Öyle ki Xi ve arkadaşları sıcak suyun bu özelliğinden ötürü soğuk suya nazaran daha hızlı soğuyacağını söylemektedirler. Bu ise Npembda etkisini diğer önerilere göre daha iyi açıklamaktadır.

Kaynaklar:
http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
http://tr.wikipedia.org/wiki/Mpemba_etkisi
https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/why-hot-water-freezes-faster-than-cold-physicists-solve-the-mpemba-effect-d8a2f611e853
http://arxiv.org/abs/1310.6514

İlgili yazılar

2 Comments

  1. Cabir Alacatlı
    10 Şubat 2015 at 11:21 - Reply

    “Neden sıcak su soğuk sudan daha önce donar?” başlıklı makalenizde soğutucuya konan biri 35 derece, diğer 100 derece olan aynı miktarda iki kap sudan 35 derece olanın daha önce donduğu söyleniyor. Bu durum, başlıkta sorulan soruyla terslik oluşturuyor? Yani 35 derece olan su, 100 derece olan sudan daha sıcak değildir; daha soğuktur? Önce donan suyun bu olduğunu söylüyorsunuz ama başlık, sanki bunun tersi gerçekmiş de bunun nedeni aranıyormuş gibi bir anlam veriyor?

    • Yönetim
      1 Mart 2015 at 01:04 - Reply

      Teşekkür ederiz. Sayılarda bir karışıklık olmuş. İlgili hata düzeltildi.