Γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο;

Μπορεί να ακούγεται παράδοξο, αλλά μπορεί να επιβεβαιωθεί ακόμη και με ένα απλό πείραμα στο σπίτι: το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το νερό που βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου. Το συγκεκριμένο γεγονός είχε παρατηρηθεί ήδη από τα αρχαία χρόνια και από διάσημους επιστήμονες όπως ο Αριστοτέλης ή ο Καρτέσιος, όμως ονομάζεται φαινόμενο Mpempa προς τιμή του Erasto Mpempa, ενός φοιτητή από τη Τανζανία που το περιέγραψε το 1963.

Διαχρονικά οι επιστήμονες έχουν προτείνει δεκάδες εξηγήσεις για το φαινόμενο το οποίο φαίνεται να αντίκειται στους βασικούς νόμους της θερμοδυναμικής, καμία όμως θεωρία δεν έχει υιοθετηθεί ως η οριστική απάντηση. Το 2012 μάλιστα, η Βασιλική Εταιρία Χημείας της Μεγάλης Βρετανίας ανακοίνωσε πως θα έδινε ένα βραβείο 1.000 λιρών σε όποιον κατάφερνε να εξηγήσει ικανοποιητικά το φαινόμενο, σε ένα διαγωνισμό στον οποίο έλαβαν μέρος 22.000 άτομα (εκ των οποίων 127 ελληνικές συμμετοχές). Αν και το βραβείο δόθηκε στο Νίκολα Μπρέκοβιτς, το θέμα δεν θεωρήθηκε πως διευθετήθηκε πλήρως.



Δύο φυσικοί από το πολυτεχνείο Nanyang της Σιγκαπούρης ωστόσο, θεωρούν πως έφτασαν σε μια ολοκληρωμένη εξήγηση του φαινομένου, η οποία λαμβάνει υπόψη τις ιδιαίτερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων του νερού.

Κάθε μόριο νερού δεσμεύεται με τα γειτονικά του με έναν ηλεκτρομαγνητικό δεσμό που ονομάζεται δεσμός υδρογόνου. Αυτός είναι μάλιστα που ευθύνεται και για την μεγάλη επιφανειακή τάση που εμφανίζει το νερό, αλλά και για την υψηλή θερμοκρασία βρασμού που έχει το νερό συγκριτικά με άλλα υγρά.

Δεσμός υδρογόνου μεταξύ δύο μορίων νερού

Οι Dr. Sun Changqing και Dr. Xi Zhang προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα, θεωρώντας πως οι δεσμοί υδρογόνου ρυθμίζουν και τον τρόπο με τον οποίο το νερό αποθηκεύει και απελευθερώνει ενέργεια. Σύμφωνα με αυτούς, ο ρυθμός της μεταβολής της ενέργειας στα μόρια νερού εξαρτάται από την αρχική κατάσταση του.

Συγκεκριμένα όταν το νερό ζεσταίνεται, οι δεσμοί υδρογόνου αλληλεπιδρούν με τους ομοιοπολικούς δεσμούς που συμμετέχουν επίσης στα μόρια νερού, κάνοντάς τους τελευταίους να μικρύνουν, αποθηκεύοντας ενέργεια κατά τη θέρμανσή τους. Αυτή η σύμπτυξη κατά τη θέρμανση, οδηγεί στην απελευθέρωση ενέργειας με εκθετικά μεγαλύτερο ρυθμό κατά τη διάρκεια της ψύξης, σε σχέση με το ψυχρότερο νερό στο οποίο οι ομοιοπολικοί δεσμοί δεν είναι συμπιεσμένοι. Με αυτό υπόψη κατάφεραν να υπολογίσουν πως το θερμό νερό παγώνει όντως υπό περιστάσεις πιο γρήγορα μέσα σε ένα καταψύκτη από ότι το ψυχρότερο νερό, καθώς το θερμό νερό μεταφέρει την ενέργεια του εκθετικά γρηγορότερα.

Η έρευνα των δύο επιστημόνων δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Scientific Reports.