Proč zmrzne teplá voda rychleji než voda studená?

Tento jev znal již Aristoteles: obyvatelé Pontu (Turecko) při zimním rybolovu nejdříve rozlili větší množství horké vody kolem děr vysekaných do zamrzlého jezera, a pak si v rychle vznikajícím ledu upevnili své rákosové udice.

Jedná se o tzv. Mpembův jev, v angličtině Mpemba effect, ve fyzice označuje zdánlivě nesmyslnou a paradoxní skutečnost, že teplá voda může zmrznout (tj. změní se skupenství z kapalného na tuhé, změní se v led), dřív než voda studená. K tomuto jevu však nemusí dojít vždy (např. v menším prostoru (mrazáku) může teplá voda v nádobě příliš ovlivnit teplotu celého prostředí). Je taky třeba upozornit na to, že příčiny Mpembova jevu nejsou dosud uspokojivě objasněny.
Některá z možných vysvětlení:

• změny proudění vody v závislosti na teplotě (konvekce) – není vyloučeno, že teplejší voda rychleji či jinak proudí a tím se rychleji ochlazuje teplá voda může víc či jinak měnit vlastnosti svého okolí, např. podložky na níž nádoba s vodou stojí, -vypařování, které je u teplejší vody výraznější může způsobit jednak to, že teplé vody zůstane míň (čímž se tuhnutí urychluje), jednak vypařováním voda teplo ztrácí -vyšší teplota vody může způsobit unikání (rozpuštěného) vzduchu, jenž je vodě přítomen či jinak ovlivňovat působení svých příměsí, které tuhnutí vody ovlivňují.

Výzkumy žádné z těchto vysvětlení nepotvrdily, případně můžou Mpembův jev vysvětlovat jen zčásti, zatím jako nejpravděpodobnější se jeví možnost, že teplá voda paradoxně příznivě ovlivňuje složité pochody na molekulární úrovni. Uspořádání molekul kapalné vody a ledu je rozdílné, ke změně skupenství z kapalné vody na led je nutné vytvoření tzv. krystalizačních jader). Termický pohyb molekul umožňuje vytvoření těchto jader (resp.
zvyšuje pravděpodobnost a četnost jejich vytváření).

Zdánlivě paradoxní jev nenarušuje fyzikální principy. Nejedná se totiž o fázový přechod na stejně připravené mikroskopicky ustálené kapalině. V případě, že je „studená“ voda připravena stejně jako „horká“, mrzne studená dříve. Nejnázorněji to lze ukázat na (myšlenkovém) experimentu s časovým zpožděním. Jeden vzorek vroucí vody se dá mrznout dříve a když se zchladí, dá se mrznout druhý vzorek stejné vroucí vody. První vzorek (nyní představující studenou vodu) od tohoto okamžiku pochopitelně zmrzne dříve, protože druhý (horký) vzorek musí předtím prodělat stejný proces zchladnutí.

Skutečnost, že teplá voda mrzne dřív než studená, byla (i když pravděpodobně ne všeobecně) známá už dávno (zmiňuje se o ní např. Aristoteles, Francis Bacon, René Descartes, Giovanni Marliani) nebyla však dlouho předmětem systematického vědeckého výzkumu a upadla v zapomnění. V roce 1963 si tanzanský student Erasto B. Mpemba náhodou této skutečnosti všiml při přípravě zmrzliny ve školní kuchyni, později se dověděl, že zmrzlináři tuto metodu používají běžně. Jeho učitel fyziky jeho dotaz, proč k tomuto jevu dochází, odbyl s tím, že jde o nesmysl a když na něm Mpemba trval, sarkasticky prohlásil, že zřejmě nejde o běžnou fyziku, ale o „Mpembovu fyziku“. Analogickými termíny se pak ve škole mezi spolužáky stalo zvykem označovat nesmyslná tvrzení (Mpembova matematika etc.). Mpemba se však nevzdal a (k pohoršení svého učitele fyziky) se zeptal na tuto skutečnost fyzika Denis G. Osborna při jeho návštěvě na škole. Ten na dotaz rovněž odpovědět neuměl, ale slíbil, že jev vyzkouší. Ke svému překvapení pak zjistil, že Mpemba má zřejmě pravdu. Své závěry oba zveřejnili v roce 1969[1]. Tím povědomí o tomto jevu znova proniklo do vědecké veřejnosti a jev byl nazván Mpembovým jménem. Mpemba tohoto jevu rovněž využil k tomu, aby vyhrál sázku.

Nezávisle na Mpembovi tento jev otevřel rovněž Kanaďan G. S. Kell, jehož k tomu přivedla lidová zkušenost s chlazením teplé vody ve džberech za tuhých kanadských zim.

Zdroj: http://www.ptej­teseknihovny.cz/u­loziste/aba001/2007-2009/mrznuti-vody

Některá z možných vysvětlení

změny proudění vody v závislosti na teplotě (konvekce) – není vyloučeno, že teplejší voda rychleji či jinak proudí a tím se rychleji ochlazuje
teplá voda může víc či jinak měnit vlastnosti svého okolí, např. podložky na níž nádoba s vodou stojí,
vypařování, které je u teplejší vody výraznější může způsobit jednak to, že teplé vody zůstane míň (čímž se tuhnutí urychluje), jednak vypařováním voda teplo ztrácí
vyšší teplota vody může způsobit unikání (rozpuštěného) vzduchu, jenž je vodě přítomen či jinak ovlivňovat působení svých příměsí, které tuhnutí vody ovlivňují.
GOOGLE
viz Kropítko