MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA FYZIKY MPEMBŮV JEV. Bakalářská práce

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA FYZIKY

MPEMBŮV JEV Bakalářská práce

BRNO 2008

Vedoucí bakalářské práce:

prof. RNDr. Vladislav Navrátil,CSc

Vypracovala:

Miroslava Příplatová

Prohlášení:

Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracovala samostatně. Veškeré zdroje, prameny a literaturu, z kterých jsem při zpracování studie čerpala, náležitě cituji a uvádím v seznamu použité literatury. Dále souhlasím se zapůjčováním práce.

V Brně dne 8. dubna 2008

Miroslava Příplatová

………………………… podpis

2

Poděkování:

Ráda bych poděkovala panu prof. RNDr. Vladislavu Navrátilovi, CSc. za vedení mé práce, inspirativní rozhovory, poskytnutí studijních materiálů, za obětavou pomoc a ochotu sdílet se mnou svůj čas při měření v laboratoři, cenné rady a připomínky a v neposlední řada za to, že mnou práci před vytištěním pročetl a provedl korektury.

3

ANOTACE Mpembův jev je speciální fenomén kdy horká voda zmrzne rychleji než voda studená. Objev tohoto účinku byl zjištěn na střední škole v Tanzánii, studentem Erasto Mpembou, v Africe v roce 1969. Cílem této bakalářské práce bylo teoreticky i experimentálně prozkoumat reálnost tohoto jevu.

ANNOTATION The Mpemba Effect is a special phenomenon where hot water freezes faster than cold water. The discovery of this effect was made by a high school student named Erasto Mpemba in Tanzania, Africa in 1969. The aim of this baccalaureate work was to review theoretically and experimentally here of phenomenon.

BIBLIOGRAFICKÝ ZÁZNAM Příplatová, Miroslava. Mpembův jev: bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra fyziky, 2008. str. 47. Vedoucí bakalářské práce prof. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc..

KLÍČOVÁ SLOVA Mpembův jev, horká voda, studená voda, tuhnutí vody, teplota, led.

KEYWORDS Mpemba effect, hot water, cold water, freezing water, temperature, ice.

4

OBSAH ÚVOD........................................................................................................................ 7 1. ZMRZNE DŘÍV HORKÁ ČI STUDENÁ VODA? ............................................ 8 2. VODA.................................................................................................................. 11 2.1. Podivuhodná látka ........................................................................................ 11 2.2. Inspirující živel ............................................................................................. 11 2.3. Život vody .................................................................................................... 12 2.4. Zásoby vody ................................................................................................. 13 2.5. Výjimečná kapalina ...................................................................................... 13 2.6. Led ................................................................................................................ 15 2.7. Paměť vody .................................................................................................. 17 2.8. Tajemství klastrů .......................................................................................... 18 2.9. Zajímavosti o vodě ....................................................................................... 21 2.9.1. Sněhová koule ................................................................................... 21 2.9.2. Brusle na ledu .................................................................................... 21 2.9.3. Olovo a led ........................................................................................ 22 2.9.4. Bouřkové mračno .............................................................................. 22 3. MPEMBŮV JEV ................................................................................................. 24 3.1. Historie ......................................................................................................... 24 3.2. Pokusy o vysvětlení jevu .............................................................................. 27 3.2.1. Deska chladničky............................................................................... 27 3.2.2. Odpařování ........................................................................................ 28 3.2.3. Konvekce ........................................................................................... 29 3.2.4. Přítomnost plynu ............................................................................... 30 3.2.5. Přechlazení ........................................................................................ 30 3.2.6. Vliv okolí ........................................................................................... 31 4. EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ .......................................................................... 32 4.1. STANOVENÉ PODMÍNKY ....................................................................... 32 4.2. VLASTNÍ MĚŘENÍ..................................................................................... 33 4.2.1. POUŽITÉ POMŮCKY ..................................................................... 33 4.2.2. POSTUP EXPERIMENTU ............................................................... 33 4.2.3. VÝSLEDNÉ GRAFY ....................................................................... 34

5

ZÁVĚR ..................................................................................................................... 42 PŘEVZATÉ CITACE ............................................................................................... 43 SEZNAM OBRÁZKŮ .............................................................................................. 45 POUŽITÉ ZDROJE................................................................................................... 46

6

ÚVOD I když se nám někdy může zdát, že fyzikální jevy kolem nás jsou už dostatečně prozkoumány, že vše nevymyšlené bylo již vymyšleno, nevynalezené vynalezeno, nezodpovězené zodpovězeno, přesto i zdánlivě jednoduché věci, či otázky mohou vést k neočekávaným odpovědím. Vezměme například otázku: zmrzne dřív horká nebo studená voda? Většina odpovědí by asi byla, podle selského rozumu, že nejprve zmrzne ta chladná. Na první pohled absolutně primitivní chyták trápí vědce už několik staletí. Lámali si na něm hlavy i tací velikáni jako Aristoteles, Francis Bacon nebo René Descartes, bohužel marně. Jednoznačné odpovědi jsme se nedočkali a vypadá to, že na nás nečeká ani dnes.

Jediný kdo doopravdy prokázal, že teplá voda zmrzne oproti studené rychleji byl tanzanský středoškolák Erasto Mpemba. Právě on při svých experimentech se zmrzlinou na tento fenomén nečekaně přišel. Otázkou je, zda to nebyla jen náhoda a jestliže ne, proč se tedy nedaří potvrdit tento jev i dalším experimentátorům. Jde tedy opravdu o fakt nebo jen o pouhou fikci? V této bakalářské práci se tedy budeme zabývat samotnou existencí jevu.

Příčin, které mě vedly k výběru tématu práce je hned několik. Zejména mě zaujalo, že nejde pouze o teoretickou práci, ale že se provádí i praktické měření zmíněného jevu, takže se na experimentech mohu osobně podílet. Podle mého názoru je velice zajímavé a poučné, vidět průběh pokusů na vlastní oči, seznámit se s jednotlivými pomůckami a procesy, než o nich jen všeobecně psát bez vlastního zapojení.

Než přistoupíme k samotné analýze daného jevu, věnujeme nejdříve pozornost nejvýznamnější života-důležité látce, která bude i nejčastějším objektem zkoumání v této studii. Vodě, tedy vyhradíme celé dvě kapitoly. Třetí kapitola je již věnována Mpembovu jevu, částečně nahlédneme do jeho historie, seznámíme se s některými názory, které se ho pokouší vysvětlit a konečně ve čtvrté kapitole provedeme i samotné měření, kde se pokusíme tento jev prokázat.

7

1. ZMRZNE DŘÍV HORKÁ ČI STUDENÁ VODA?

Již staří Řekové se pokoušeli na tuto zapeklitou otázku přijít. Sám Aristoteles byl nejspíše jeden z prvních, kdo považoval fakt, že teplejší voda zmrzne rychleji než chladná, v podstatě za přirozený. Asi 350 let před Kristem se ve své knize Meteorologica zmiňuje o zvláštním obřadu, který prováděli obyvatelé Ponta (část území dnešního Turecka) při každoročním zimním rybolovu. Kolem vysekaných děr na zmrzlé vodní ploše rozlili velké množství vařící vody a na nově vzniklý ledový val upevňovali své připravené udice. Aristoteles ve svém díle také uvedl: “Skutečnost, že voda byla nejdříve ohřátá, přispěje k rychlejšímu zmražení, a právě proto se tato voda ochladí první. Proto většina lidí, jestliže chce zchladit vodu, vystaví jí předtím slunci…” [1]

Tato slova napsal na podporu chybné myšlenky, zvané antiperistasis. Ve filozofii to je obecný termín pro různé procesy, skutečné nebo chtěné, odkazující se na interakci dvou protějších vlastností. Například náhlé oteplení těla, i když je v chladném prostředí. Středověcí vědci věřili v Aristotelovu teorii antiperistasis, a snažili se o její vysvětlení. Ovšem ani v 15. století, nebyli badatelé schopni objasnit ji, dokonce se nedokázali ani zcela jednotně shodnout na její pravdivosti. V roce 1461, fyzik Giovanni Marliani, v debatě o ochlazování objektů, potvrdil, že horká voda zmrzla o něco rychleji než studená. Uvedl, že dle jeho pokusu, při kterém vzal čtyři unce vařící se vody a stejné čtyři unce vody chladnější, umístnil je v chladném zimním dni venku a po několika hodinách mohl konstatovat, že opravdu uvařená voda zmrzla dříve. Nicméně, Marliani nebyl schopen tento jev logicky vysvětlit. Později, asi v roce 1600, se obecně preferovala znalost, že horká voda zmrzne rychleji než chladná. Toto tvrzení zpochybňoval velký středověký bojovník za experimentování Roger Bacon, ale jeho jmenovec Francis v roce 1620 napsal „Voda mírně zahřátá snadněji zmrzne než voda docela studená” [2] Francis Bacon byl hluboce zaujatý zmrazováním a ochlazováním. Dokonce prý k tomu, aby zachytil smrtelné ochlazení uskutečnil pokus konzervování kuřete tak, že ho nacpal sněhem. Přibližně ve stejné době prováděl Descartes pečlivá pozorování zmrazování vody,

8

která mu umožnila poznat neobvyklou maximální hustotu kapaliny při teplotě 4°C. Tuto studii poté komentoval: „Vlastní zkušenost mi ukázala, že voda, kterou jsem dlouhou dobu udržoval na ohni, zmrzla na mraze dříve, než voda, jež jsem nezahříval.“ [3]

V čase moderní teorie tepla, bylo dřívější pozorování Aristotela, Marlianiho a jiných učenců zcela zapomenuto. Snad proto, že jejich názory odporovaly modernímu pojetí tepla. Nicméně tyto staré teorie žily ještě v podvědomí mnoha vědců-amatérů v Kanadě, Anglii a jinde, kde tyto poznatky byly využívány v potravinářském průmyslu. Zájem o tento jev se pak opět na nějaký čas vytratil ze scény a objevil se až koncem šedesátých let dvacátého století v Africe. Přesněji roku 1969, kdy teprve patnáctiletý tanzanský školák Erasto Mpemba zjistil při výrobě zmrzliny v místní školní kuchyňce, že jeho směs zmrzla rychleji, než směs spolužáků. Stalo se tak i přesto, že onu horkou kaši, jejíž součástí bylo i převařené mléko, dal do mrazničky ihned, aniž by ji předtím nechal vychladnout, tak jak to dělali ostatní. Jeho netrpělivost a především mlsnost zajistila, malému objeviteli nesmrtelnost. Jev rychlejšího zmrznutí teplejší kapaliny, byl po tomto zvídavém školákovi pojmenován. Konečně se tedy dostáváme k jádru věci celé práce a to přesněji k otázce, zda opravdu zmrzne teplejší voda rychleji než studená? Byly snad všechny tyto zprávy jen výsledky špatné experimentální techniky? Jistě by to měla být jednoduchá záležitost vyřešit problém jednou pro vždy tím, že uskutečníme experimenty. To se ovšem ukazuje být překvapivě obtížné, protože sdělení „horká voda mrzne rychleji než studená“ se ještě nikomu nepodařilo jasně vysvětlit. Každopádně vědci se tímto problém zaobírají stále. V nedávném vědeckém článku, profesor Jeng navrhuje přesnější formulaci: „Existuje řada počátečních parametrů a dvojic teplot, takových, že u daných dvou identických objemů vody, lišících se pouze v teplotách, opravdu dochází k tomu, že teplejší voda zmrzne dříve.“ [4]

Je zde mnoho takových parametrů, které by mohly ovlivňovat rychlost zmrazování, nejpravděpodobnější je objem a druh používané vody, dále velikost a tvar nádob a v neposlední řadě také teplota ledničky.

9

Toto představuje významnou výzvu pro experimentátory, v zásadě by bylo potřeba provést obrovské množství stejných experimentů s nádobami, různých velikostí a tvarů, zatímco nezávisle proměnná hmota, obsah plynů ve vodě a ochlazovací metoda, by testovaly, zda opravdu vždy dochází k žádaným účinkům zmrazování. Je zde také klíčový problém jak definovat čas zmrazování. Můžeme to přisuzovat momentu, kdy se objeví první ledové krystalky nebo v okamžiku kdy je celá skupina kapaliny zmrzlá? Oba tyto časy jsou obtížně pozorovatelné obzvláště v mrazničce.

10

2. VODA 2.1. PODIVUHODNÁ LÁTKA Bez vody by nebylo života, je přítomná ve většině přírodních látek, které nás obklopují. Je v mořích, půdě, atmosféře, rostlinách, potravinách, tělech živočichů i ve všech průmyslových výrobcích. Naši starodávní předkové z ní vyšli před půl miliardou roků. To už se nacházel v atmosféře Země dostatek kyslíku, aby vznikl ozón a ten pak chránil život před ultrafialovým zářením. Všechny mikroorganizmy, houby, rostliny, živočichové včetně člověka, tedy zjednodušeně, celá biosféra je vázána na vodu. Od pradávných dob byla voda považována za jeden ze čtyř základních živlů, z nichž se skládají veškeré věci na Zemi. Platí to bezvýhradně o našem těle, které je více jak z poloviny tvořeno z vody.

2.2. INSPIRUJÍCÍ ŽIVEL Voda je velice výjimečná kapalina, proto není divu, že se jejími záhadami zaobírali učenci snad v každé době a na každém místě světa. Není divu, že okouzlila i učitele národů, posledního biskupa Jednoty bratrské a zakladatele moderní pedagogiky, Jana Ámose Komenského. I když nebyl přírodovědcem a už vůbec ne meteorologem. K úplnému poznání světa byly však nezbytné i poznatky přírodovědné povahy. Proto se zajímal o meteorologické otázky, které pak probíral ve svých mnohých dílech, sepsaných v exilu. Komenského pojetí přírody zapadalo do přírodně filozofického myšlení a vycházelo z tradic 16. století. Jeho přírodovědné vědomosti měly téměř univerzitní úroveň. Komenského silnou stránkou však byly vlastní zkušenosti, které získával z různých pobytů ve vyspělých zemích s rozvinutou výrobou, obchodem, v rušných přímořských oblastech i na vlastních plavbách. Zde si rozšiřoval větší rozhled než jiní vědci, měl vlastní zážitky například jaký má vliv počasí na dopravu plachetnicemi. Ve svých četných dílech potom své nově nabyté informace předkládal čtenářovi. Vysvětloval všední jevy na obloze i v přírodě tak, aby je obyčejný člověk byl schopen lehce pochopit.

„ Oblaka jsou shlukem řídkých výparů vynesených vysoko do vzduchu. Nejvíce se jich tvoří nad mořem a bažinami, kde je nejvíce výparů. Odtud jsou oblaky hnány větrem do různých

11

končin, k nám větrem od západu. Ze zhuštěných par vzniká déšť, kroupy (sražený déšť), ale i kovy, byliny a zvířata. Déšť je proměna oblaků ve vodu a kapání po krůpějích, způsobená buď zimou, nebo stlačením. Kroupy se neobjevují v zimě, protože v tu dobu je mráz u zemského povrchu, a ne vysoko v povětří. Sníh vzniká rozložením oblaků v nejjemnější kapky a jejich ztuhnutím mírným mrazem“ [5] Rosu vysvětli Komenský zcela správně. Měl také jasnou představu o koloběhu vody na Zemi: „V oceánu vody neubývá, neboť ohromné řeky a deště neustále přitékají, ani nepřibývá, poněvadž to stejné množství se ustavičně vypařuje.„ [6]

2.3. ŽIVOT VODY Dle nynějších názorů se stavební prvky molekul vody (tj. kvarky a elektrony) zrodily současně s prostorem a časem. Atomy vodíku vznikly asi 300 000 let po vzniku vesmíru, tak, že se volné elektrony připojily k protonům.Voda vznikla spojením vodíku s kyslíkem v době, kdy se v mateřské mlhovině rodilo Slunce a planety, tedy asi před pěti miliardami let. Naše planeta je jediná ze Sluneční soustavy, kde se vyskytuje voda ve všech skupenstvích. Často je proto nazývána modrou či "oceánskou planetou". Při pohledu z vesmíru se tak opravdu jeví, modrou barvu má právě díky oceánům. Voda se na Zemi vyskytuje v různých skupenstvích a podobách, v atmosféře jako vodní pára, na povrchu nebo v podzemí v kapalném skupenství jako tekutina, nebo v pevném jako led. Pouze 29% povrchu tvoří pevnina. Celých 71% povrchu planety pokrývají právě moře a oceány, které dosahují střední hloubky 3790 metrů. V případě, že by se oceánské vody rozlily po celém zemském povrchu, vytvořily by vrstvu silnou 2666 metrů.

12

2.4. ZÁSOBY VODY Rozdělení zásob vody na Zemi je značně nerovnoměrné. Zatímco světový oceán obsahuje okolo 97,6% celkových vodních zásob, zbylá 2,4% jsou rozvržena mezi vodu v zemské atmosféře, vodu na povrchu souše a vodu podpovrchovou. Převážná část sladké vody na zemi je obsažena v ledovcích. Jen pevninský ledovec pokrývající převládající část Antarktidy zastupuje kolem 90% objemu veškerých ledovců na Zemi. Značnou část ledovcové hmoty obsahuje i ledovec Grónský. Jestliže by veškeré ledovce roztály, stoupla by hladina oceánů asi o 66 metrům. Země má ve svých zásobách jen 6% sladké vody a z tohoto skromného množství je 95% v jezerech a jen 5% v řekách. Nejvíce sladkovodních jezer je soustředěno v Severní Americe, ta má okolo 25% celosvětových zásob. Mimo Velkých kanadských jezer na hranicích s USA ještě další tisíce jezer, jež jsou rozptýleny v nížinách Kanady. Obrovské kvantum vody je nahromaděno i v jezerech Východoafrické příkopové propadliny. Ojedinělým exemplářem je však východosibiřský Bajkal, nejhlubší jezero světa, v jeho pánvi je obsaženo 18% celosvětových zásob sladké jezerní vody. Zásoby vody na jednotlivých kontinentech jsou bohužel značně odlišné. Zatímco z Jižní Ameriky odteče za rok množství vody, představující výšku 658 mm, z území Evropy jen 271 mm. Nejsuššími světadíly jsou Afrika s odtokem 136 mm a Austrálie s pouhými 37 mm odteklé vody za rok.

2.5. VÝJÍMEČNÁ KAPALINA Voda je zpravidla považována za nejobyčejnější kapalinu. Její fyzikální vlastnosti jsou však značně neobvyklé: Teploty tání a varu bychom mohli očekávat podstatně nižší, tedy blízké ostatním kapalinám, pro tání by to bylo kolem -90 º C, pro var kolem -65 º C. Netradiční jsou také hodnoty fyzikálních veličin, jako je dielektrická konstanta, viskozita, změny měrného tepla a hustoty v závislosti na teplotě. Pro vysvětlení těchto vlastností byly navrženy různé modely kapalné vody. V molekule vody H2O jsou atomy vodíku vzdáleny od atomu kyslíku 9,6.10-11 metru a úhel mezi vodíky a kyslíkem činí 104,5°. Tyto tři atomy tvoří tedy jakýsi trojúhelník. Ve vodíku převládá kladný náboj, v kyslíku opačně převládají dva záporné náboje. Molekula má tedy neutrální charakter. Četná měření ukázala, že náboje jsou ve vrcholech čtyřstěnu, přesněji jehlanu o trojúhelníkové základně.

13

Obr.1. Molekula vody ( Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Water_(molecule), 4.3.2008 )

Obr.2. Stavba molekuly vody (Zdroj: www.lsbu.ac.uk/water/images/molecul2.gif, 12.3.2008)

14

2.6. LED Voda se chová jinak než ostatní látky. Při zmrznutí zvětší svůj prvotní objem téměř o 1/11. Mrznoucí voda například kypří zorané pole, což je pro kvalitu půdy velmi důležité. Voda má největší hustotu, a tedy nejmenší objem, přibližně při 4 stupních Celsia, zvětšuje vždy svůj objem, ať ji zahříváme nebo ochlazujeme. Led má menší hustotu než voda; proto také plave na hladině, tím v podstatě chrání vodu před dalším ochlazováním. Kdyby měl led větší hustotu než voda, ponořil by se ke dnu což by znamenalo zmrznutí všech moří, jezer a řek, které by neroztály ani v létě. Odborníci tvrdí, že ledovec vystupuje nad hladinou pouze desetinou svého objemu. Není to zcela přesné,v ledu jsou totiž vzduchové štěrbiny, jež zvětšují jeho objem a zmenšují hustotu. Ve skutečnosti leží pod vodou přibližně tři čtvrtiny ledovce, který se obvykle rozpíná mnohem rozsáhleji než je jeho část nad vodou. To mělo na svědomí nejednu katastrofu v lodní dopravě, vzpomeňme například na Titanic. Při vzniku ledu se čtyřstěny spojují do vícevrstvé stavby pomocí vodíkové vazby. Vodíky tvoří spojovací můstky, přičemž menší část vazebné energie zužitkují na připojení „své“molekuly ke kyslíku sousední molekuly. Ve struktuře ledu jsou čtyřstěny molekul vody propojeny vodíkovou vazbou do šestiúhelníkové sítě, ve vrcholech těchto šestiúhelníků jsou kyslíky, vždy tři na stejné úrovni, další tři jsou mírně výš. Na tuto strukturu navazuje pomocí vodíkové vazby další vrstva s identickým uspořádáním, a tak vzniká pravidelná prostorová síť. Vnitřní dutiny mezi šesti molekulami vody mají dostatečný prostor pro umístění volné molekuly vody. Pravidelnost je ovšem narušovaná místním neuspořádáním, volnými kapsami a shluky klastrů, to odpovídá nejčastějšímu výskytu ledu označovanému jako I. Existují ještě jiné uskupení ledu II až ledu VII, odlišují se od ledu I fyzikálními podmínkami,které působí při jejich vzniku.

15

Obr.3 Mřížková struktura ledu ( Zdroj: www.solarnavigator.net/images/ice_crystal_lattice.gif, 2.2.2008)

Led je tedy velice zajímavé skupenství vody. Je to vlastně jakási zásobárna vody. Má široké využití, od potravinářského průmyslu, kde zmrazování různých potravin prodlužuje jejich trvanlivost, až po například uměleckou branži, kdy různí umělci z této látky vytváří ledové sochy. Zde je uvedeno několik nápadů, jak poměrně snadno takovou mrazící směsi připravit:

•

10 dílů studené vody a 25 dílů krystalického chloridu draselného - dostaneme směs o teplotě až -8 °C.

•

Po 10 dílech vody, chloridu amonného a dusičnanu sodného - dostaneme směs o teplotě až -25 °C.

•

100 dílů sněhu nebo drceného ledu a 33 díly chloridu sodného (kuchyňská sůl) dostaneme směs o teplotě až -20 °C.

•

10 dílů sněhu nebo roztlučeného ledu a 15 dílů krystalického chloridu draselného dostaneme směs o teplotě až -40 °C.

16

2.7. PAMĚŤ VODY Předpoklad o paměti vody vyslovil v roce 1985 francouzský alergolog Jaques Benveniste. Tuto hypotézu vyslovil jako možnost výkladu homeopatických zásad o ředění homeopatik. Homeopatická teorie o paměti vody vychází z toho, že si voda zapamatuje na hodně dlouhou dobu, jaký v ní kdysi byl rozpuštěný lék nebo bylinkový odvar. Zředěním se účinnost nejen zachovala, ale dokonce se i zesílila. Jak je to s úpravou struktury vody a s pamětí vody doopravdy? Poměrně často se pletou dvě charakteristiky vody dohromady, a to vlastnost jedné molekuly a skupinové chování velkého počtu molekul. Jak je známo, molekula vody představuje soustavu atomu kyslíku a dvou atomů vodíku navzájem vázaných silnou kovalentní vazbou, působením vnitroatomových kovalentních sil je tato molekula velmi stabilní. Vodík ponechává většinu své vazebné energie na spojení s kyslíkem své molekuly, menší část své vazebné energie uplatňuje mimo „svůj zákonný stav“, tedy na kyslík sousední molekuly. Pomocí vodíkové vazby se tyto čtyrstěny navzájem propojují. To je vlastnost jedné molekuly. U skupinového chování molekul vznikají malinké mikroledovce, klastry, které nemůžeme vidět ani nejmodernějším mikroskopem. Mezi molekulami vody totiž působí vazby vodíkových můstků, jejichž působením mohou vznikat shluky molekul, což jsou právě tyto klastry. Vznikají ve vodě v nejrůznějších strukturách a mohou obsahovat ve svém prostoru ionty rozpuštěných látek, například právě homeopatik. V jednom klastru je přibližně 50 až 60 molekul vody, vše závisí především na teplotě. A právě tyto stabilní struktury vody mohou být základem pro paměť vody. První, i když nepřímý, důkaz existence paměti vody podal švýcarský chemik L. Rey měřením termoluminiscenčních (TL) křivek. Experimentálně ji ověřil a prokázal i fyzikálním měřením. K experimentu použil Rey těžkou vodu D2O jednak čistou a jednak s ionty sodíku (Na), s ionty lithia (Li) a chlóru (Cl). Všechny pak nechal zmrznout a prováděl TL měření na částech ledu. TL křivky vykazovaly dvě maxima, a to při 120K a 170K, kde druhá naměřená teplota odpovídá vodíkovým vazbám v ledu. Je tedy otázka, zda je možné experimentálně dokázat přímo ze struktury vody existenci stabilních klastrů vody, které by pak vytvářely její paměť.

17

2.8. TAJEMSTVÍ KLASTRŮ Wilhelm Rentgen první uvádí, že v kapalné vodě existují molekuly ledu. Ze znalostí o skladbě ledu vycházeli i autoři pozdějších modelů. Zatím nejakceptovanější je základní model mžikového trvání rojů (klastrů), které připomínají „mikroledovce“. Později byl v detailech různě upravován, aby bylo možné vysvětlit fyzikální chování vody a jejich roztoků. Základem je prostorové uspořádání atomů v molekule vody a přítomnost vodíkové vazby. Vraťme

se

tedy

k základnímu

modelu.

Vznik

vodíkové

vazby

je

impulsem

k bezprostřednímu vytvoření dalších vazeb mezi molekulami vody a tak vzniká klastr (roj). Jestliže se poruší byť jediná vodíková vazba v klastru, zaniká okamžitě i celý roj. Tak vznikají „blikající roje“, neboli mikroledovce mžikového trvání. Prostorovou mřížku klastru si můžeme představit jako prostorovou stavbu podobnou lešení. Uspořádání molekul vody v těchto klastrech je podobné jako v ledu, proto můžeme mluvit o mikroledovcích. V ledu rozeznáváme různé typy prostorových mřížek, ale v čisté vodě je jeden nejčastější typ. Asi 60% až 75 % molekul vody je takto svázáno do mikroledovců, zbytek je volná voda, ale i v té dochází k propojování několika málo molekul. Klastry mají velice krátký život, 10-10 až 10-11 vteřin,tedy ve zlomcích nanosekund, pak se rozpadají a hned se seskupují do nových klastrů spolu s molekulami původně volné vody. Tak v každém okamžiku má jednotlivá molekula vody vetší pravděpodobnost, že bude v tomto momentu vázaná v klastru a menší, že se bude vyskytovat jako volná molekula. O tomto jevu se také mluví jako o mžikovém trvání klastru neboli mikroledovců, jejichž vznik je vysvětlen výše. Klastry se dále mohou spojovat do ještě větších útvarů, kterým říkáme agregované klastry, jejichž existence závisí na teplotě a vnějším tlaku. Při atmosférickém tlaku a při teplotách mezi 0°C a 15ºC existují shlukované klastry, vzrůstem teploty se snižuje možnost agregace a v rozmezí 40°C až 60ºC jsou již jednotlivé klastry. Nad 60 º C se podmínky pro existenci klastrů zase zhoršují a množství volných molekul vody se zvyšuje.

18

Obr.4 Různé struktury klastrů ( Zdroj: web.mst.edu/~hale/web/bhale.html, 3.2.2008)

19

Obr.5 Struktura vody v závislosti na teplotě a tlaku ( Zdroj: http://www.pi-voda.cz/vzdelavani/vodaobecne/vodavwudypritomna.htm, 10.2.2008)

20

2.9. ZAJÍMAVOSTI O VODĚ

2.9.1. SNĚHOVÁ KOULE „Jestliže se vlhký sníh stlačí, zmrzne do podoby hroudy s vodou uvnitř a nerozpadne se tak, jako by to udělal stejně navlhčený písek nebo jakákoli jiná hmota,“ [7] napsal roku 1842 proslulý anglický badatel Michael Faraday. Tuhé skupenství vody ho natolik fascinovalo, že zkoumáním sněhu a ledu strávil plných dvacet let. Ve své práci se zmiňuje, že sněhovou kouli drží pohromadě voda. Jinými slovy, tento učenec se domníval, že sněhové vločky jsou pokryty nepatrnou vrstvou vody. Tuto svou domněnku ovšem tehdy nemohl dostatečně přesvědčivě prokázat, proto jeho představa nebyla obecně přijata. O mnoho více byl preferován názor Williama Thomsona, který je dnes spíš znám jako lord Kelvin. Tento vědec prohlašoval, že v momentě, když stlačíme ledové krystalky, sníží se vlivem tlaku bod tuhnutí vody, takže povrchová vrstva ledových krystalků roztaje. Vzniklá voda spojí sněhové vločky a tím vzniká ona sněhová koule.

2.9.2. BRUSLE NA LEDU Názor lorda Kelvina přežívá prakticky dodnes. Stal se i podkladem pro vysvětlení, proč brusle klouže po ledě. Je to opět obdobný důvod, jako u sněhové koule. Tlak brusle totiž snižuje bod tuhnutí vody, takže se led pokrývá slabou vrstvičkou vody, po níž brusle zlehka klouže. Kromě toho se také třením brusle o led uvolňuje nepatrné množství tepla, takže led pak taje ještě o něco snáz. Ovšem není potřeba brusle aby byl led kluzký. Avšak přesné výpočty, provedené na přelomu třicátých a čtyřicátých let devatenáctého století, ukázaly, že vliv tlaku na tání ledu nemůže vysvětlit, proč po něm brusle klouže. Úvaha lorda Kelvina platí obzvláště pro teploty v blízkosti bodu tání ledu, tedy nuly Celsiovy stupnice. Současně je totiž známo, že led klouže i při mnohem nižších teplotách.

21

2.9.3. OLOVO A LED Přiblížili jsem se tedy k problému povrchového tání, úkazu, jenž Faraday předpokládal, ale nemohl dokázat. Dnes se usuzuje, že je to vlastnost snad všech látek. Snadno si představíme krystal ledu. Jestliže ho budeme zahřívat, můžeme předpokládat, že po dosažení bodu tání se začne jeho stavba hroutit až z něj zbude jen kapalina, voda. Pojem „dosažení bodu tání“, je pro čistou vodu nula stupňů. Nicméně k povrchovému tání může docházet již při podstatně nižších teplotách, to nám prozrazuje, že je led pokryt tenkou vrstvou vody, jejíž tloušťka odpovídá velikosti několika molekul. Tato voda má sice ještě některé strukturní vlastnosti ledu, ale zároveň má pohyblivost kapaliny. A to při teplotě ležící v okolí pod bodem tání. Mnozí vědci dokonce míní, že může jít i o několik desítek stupňů. Odpověď proč tomu tak je, není ovšem zdaleka jasná. Pokusy, jež provedla v polovině osmdesátých let skupina holandských badatelů pří zkoumání olova naznačují, že by mohlo opravdu jít o obecný jev. Nejmodernějšími technikami se zdařilo ukázat, že při teplotě o deset stupňů Celsia nižší, než je bod tání tohoto kovu, asi 328°C, se na povrchu olova taktéž začínala vytvářet tenká vrstva, kterou označili jako kvazikapalnou. Nejedná se ani o tuhý kov, ani o skutečnou kapalnou podobu. S rostoucí teplotou se tato vrstva stále zesiluje, a při dosažení bodu tání olova, začne kov téct. S ledem je to tedy velmi obdobné.

2.9.4. BOUŘKOVÉ MRAČNO Ovšem voda není jen na zemi, je také ve vzduchu. Zde vytváří oblaka, v nichž vznikají krystalky ledu, které postupně narůstají až do sněhových vloček nebo také krup. A z mraku se zablýskne. Jak sněhové vločky a kroupy, tak i nejmenší krystalky ledu mají na povrchu vrstvu kapalné vody. Nás zajímá otázka: „Proč se bouřková mračna elektricky nabíjejí?“ Vysvětlení však není ani dnes zcela jednoznačné. Základní myšlenkou je idea, že v mraku existují krystalky ledu, které jsou tak lehké, že se vznášejí, kolem nich padají větší tělesa, kroupy. Při srážkách si krystalky ledu a kroupy vymění prostřednictvím své vodní vrstvy elektrický náboj, ledové krystalky získávají kladný, kroupy naopak záporný. Bouřkové mračno je tedy nabito nahoře kladně, dole záporně. Toto je jen velmi zjednodušeně popsaná domněnka, jejíž kořeny byly experimentálně prověřovány poměrně nedávno. Nastíníme tento velice náročný pokus:

22

„pomocí speciální váhy se vážily krystalky ledu před a po takové srážce, přičemž přesnost vážení se pohybovala v desetimiliardtinách gramu. Jen tak se podařilo dokázat, že si obě tělesa předala při srážce část povrchové vody.“ [8] Na podrobnostech této teorie se zatím dále pracuje a na konečné závěry si budeme muset ještě nějaký čas počkat. Neboť voda, i když se zdá být jednoduchá, je jedním z tvrdých oříšků dnešní fyziky a chemie.

23

3. MPEMBŮV JEV

3.1. HISTORIE Mpembův jev byl objeven v daleké Africe, přesněji v Tanzánii, poměrně nedávno, v roce 1963. Jeho objevitelem nebyl ovšem žádný vážený vědec, avšak pouze patnáctiletý student střední školy, Erasto B. Mpemba. Na této škole si totiž studenti vyráběli vlastní zmrzlinu, aby se v horkých dnech osvěžili. Nebylo na tom nic složitého, na trhu si každý z hochů koupil mléko, které osladil, vše dal vařit a když směs vychladla na pokojovou teplotu, strčil ji do mrazničky. Jelikož žáků bylo ve třídě dost, tak i zájem o každé volné místo v mrazničce byl veliký. Jednoho dne, když si Mpemba opět připravoval oblíbený pamlsek, uviděl svého spolužáka, jak kvapem pospíchá k chladničce, jelikož volných míst bylo již velice málo. Nečekal tedy až jeho směs vychladne a strčil ji ještě horkou do chladničky, i když věděl, že se to nedoporučuje, protože horké mléko bez předchozího vychlazení mohlo přístroji přivodit “šok” a ten by mohl přestat sloužit. Asi o hodinu později se oba hoši k mrazničce vrátili a čekalo je překvapení. Zatímco Mpemba měl už svou zmrzlinu hotovou, směs v nádobě jeho spolužáka dosud nezmrzla. Mpemba požádal svého učitele fyziky, jestli by mu nemohl tento jev vysvětlit. Ten ho ovšem odbyl se slovy, že se musel zaručeně splést. Mpemba se s touto odpovědí smířil a více se s tím nezabýval. Svůj objev ještě pověděl svému kamarádovi kuchařovi, ten tím ovšem nebyl nijak zaskočen a dokonce Mpembovi prozradil, že takto on připravuje zmrzlinu vždy. O několik let později se stal Erasto Mpemba vysokoškolským studentem. První téma, které probírali v hodině fyziky bylo teplo. Ihned poté, co se naučili Newtonův zákon chlazení, se Mpemba zeptal učitele: „Prosím, pane, když dáme do ledničky horké a chladné mléko zároveň, proč se horké zmrazí rychleji?“[9] Učitel odpověděl: „To si nemyslím, Mpembo.“ [10] Mpemba se ovšem bránil tvrzením, že on sám tento pokus vyzkoušel. Učitel si dál trval na svém a na konec této debaty mu řekl: „Jediná odpověď, kterou vám mohu dát je, že jste asi poněkud zmatený. Jde tedy o Mpembovu fyziku, nikoli o fyziku univerzálně platnou.“ [11] Mpemba ovšem nechtěl tento zajímavý jev tak lehce opustit. Jeden den, jak se vyprázdnila laboratoř biologie, zkusil opět své poznatky experimentálně dokázat. Zavřel se tedy

24

v prázdné učebně, naplnil dva stejné pohárky obyčejnou vodou z vodovodního kohoutku, jeden vodou studenou a druhý horkou, a vložil je do mrazničky. Když se asi za hodinu vrátil ani jeden pohárek ještě nebyl zcela zmrzlý, ovšem v nádobce, v níž byla horká voda, byly již viditelné krystalky ledu. To se mu zdálo dostatečně přesvědčivě, proto se rozhodl, že v pokusech bude nadále pokračovat. Později navštívil jejich školu, doktor Denis G. Osborne, profesor univerzity v Dar es Salaam (dnešní hlavní město Tanzanie), aby zde studentům přednášel. Po skončení přednášky následovala diskuse, kdy mu studenti mohli klást otázky. Erasto Mpemba si dodal odvahy a zeptal se: „jestliže vezmete dvě identické nádoby se stejným množstvím vody, jedna s teplotou 35°C a druhá se 100°C, a dáte je do ledničky, tak voda, která začala na 100°C zmrzne dřív. Proč?“ [12] Profesor se nad dotazem nejdříve pousmál. Později vzpomíná: „Přísahám byl jsem si jist, že se mýlí, ale na druhou stranu, studenti se musí povzbuzovat ke kritickému myšlení a kladení otázek. Žádná otázka by neměla být zesměšňována, každodenní události jsou zřídkakdy tak jednoduché jak se nám zprvu zdají, proto je poněkud riskantní, aby prošly povrchním soudem, co je a co není možné.“ [13] Tenkrát však odpověděl: „Tato fakta, jak udáváte, mě tedy překvapují. Zdá se, že popírají fyziku jak ji znám. Ale hned jak se vrátím zpět do Dar es Salaamu, tak to vyzkouším.“ [14] Díku tomuto dotazu se Mpemba stal ve škole antihrdinou. Jeho spolužáci ho osočovali, že doktora Osborna zahanbil, jelikož musel vědět, že mu nebude schopen odpovědět. Jiní ho podezřívali z toho, že asi dostatečně neporozuměl kapitole o Newtonově zákoně ochlazování. Mpemba začal o svém pokusu tedy trochu pochybovat, pustil se tedy do dalších experimentů. Výsledky byly opět stejné, přizval proto k pokusům i další své spolužáky. Společně potvrdili, že se led opravdu začal dřív tvořit na původně teplejší kapalině. Tyto udivující zprávy se rychle šířily po celé škole. Když o tom uslyšel i vedoucí katedry fyziky, řekl: „Nemělo by tomu tak být, ale také to dnes odpoledne vyzkouším.“ [15] A dospěl ke stejnému výsledku. Mezitím doktor Osborne na svém pracovišti pověřil jednoho mladého technika, aby Mpembovo tvrzení otestoval. Ten ohlásil, že původně horká voda zmrzla opravdu dříve, ale rychle dodal: „ale zajisté, že budeme experiment opakovat do té doby, než dostaneme správný výsledek!“ [16]

25

Opravdu ho ještě několikrát opakovali. Výsledky jsou zachyceny na obrázku dole, kde křivka má maximum asi ve 30°C. Na ose x je uvedena teplota v °C a na ose y je vynesena

Počátek mrazení (minuty)

doba měření v minutách. Rozdíl teplot byl přibližně -20°C.

Počáteční teplota (°C) Obr.6. Výsledky detailních experimentů doktora Osborna ( Zdroj: http://www.oufusion.org.uk/newswinter05/fusionnewswinter05.htm, 2.4.2008)

26

3.2 POKUSY O VYSVĚTLENÍ JEVU Jak tento úkaz objasnit? Ukazuje se, že je skoro nemožné experimentálně zachytit tento fenomén. Existují zprávy o faktorech, které ovlivňují onen hledaný jev i o činitelích, jež na něj z cela jistě vliv nemají. Newtonův zákon například pomíjí takové účinky, jako je odpařování, konvekce i skutečnost, že studená voda je hustší než voda horká. I kupříkladu samotný tvar nádoby ovlivňuje konvekční proudy, vytvořené ve vodě. Neméně důležitý je také výkon mrazničky. Dále mohu uvést chemické složení vody, které nám výrazně může změnit výsledky, zvláště jestli je v ní velké množství rozpuštěného vzduchu. Výsledky experimentů byly zveřejněny v mnoha článcích a tyto pokusy byly ještě mnohokrát opakovány. I když se řada vědců pokoušela Mpembův fenomén objasnit, jednoznačného vysvětlení se ovšem zatím nedopracovali, není to vůbec snadný úkol. Zde je shrnuto několik možných ovlivňujících faktorů: •

Použitá nádoba ( velikost, tvar, materiál, s víkem, bez víka, …)

•

Zkoumaná kapalina ( mléko - s příchutí nebo obyčejné, voda - z vodovodu, destilovaná, s příměsí, převařená, několikrát převařená, jedenkrát již rozmrzlá…)

•

Druh mrazničky

Dále uvádíme některé teorie, které se pokusily jev objasnit . Je důležité vědět, že ani dnes není žádné dokázané nebo přijatelné vysvětlení.

3.2.1. DESKA CHLADNIČKY Někteří badatelé, kteří se snažili tento úkaz objasnit uvažovali, že horká sklenice roztavila vrstvu mrazu v mrazničce, a tím se dostala do mnohem lepšího kontaktu s její deskou. Rozsah, s jakým je teplo odvedeno, neboli tepelný tok Q, je ovlivněn těmito činiteli: •

Velikostí kontaktní plochy – S

•

Faktorem prostupu tepla do okolí - α

•

Rozdílem teplot na rozhraní - ∆T

27

Celkové množství tepla, které bylo tedy za daných podmínek odvedeno za čas τ můžeme popsat Newtonovým zákonem ochlazování:

Q = τ α S ∆T

[17]

Mrazící plocha je v mrazničce pokryta vrstvou ledu a sněhu, obzvláště sníh poměrně ztěžuje výměnu tepla s nádobkou. Chladná nádobka sníh pod sebou stlačí na rozdíl od teplé, která se sněhem protaví až na led, popřípadě až na samotnou desku mrazničky. Tato nádoba je tedy v lepším kontaktu s kovem mrazící plochy, nežli nádoba se studenou vodou, proto v ní voda rychleji zmrzla. V jistých experimentech tomu tak mohlo skutečně být, ale bohužel pro úplné objasnění jevu je nepostačující.

3.2.2. ODPAŘOVÁNÍ Během mrznutí nastává také odpařování. To má opravdu vliv na rychlost ochlazování. Čím větší je povrch kapaliny a čím rychleji se vypařuje, tím rychleji z kapaliny vyprchá teplo. To může znamenat, že teplejší voda ztratí určité množství svého objemu. Teoretické výpočty ukázaly, že odpařování může Mpembův jev vysvětlit v případě předpokladu, že voda ztratí teplo výhradně díky odpařování. Toto vysvětlení je pevné, intuitivní, a odpařování je nepochybně důležité ve většině situací. Tento děj se tedy podstatným způsobem na ochlazování podílí. Jestliže chceme například zvýšit podíl na celkovém ochlazování, nádobu zespodu eventuelně i ze stran tepelně zaizolujeme. Ať tak nebo onak, to není jediný mechanismus. Odpařování samo o sobě nemůže vysvětlit experimenty, které byly prováděny v uzavřeném prostoru, kde nemohla „pára“ unikat. Mnoho vědců tvrdí, že tedy ani odpařování není dostatečné vysvětlení pro jejich pokusy.

28

3.2.3. KONVEKCE Při ochlazování vody na jejím povrchu vzniká proudění. Příčinou je závislost hustoty vody na teplotě, tento jev se nazývá vztlaková konvekce, anebo změna povrchového napětí kapaliny v souvislosti s teplotou, Marangoniho proudění. Čím vyšší je počáteční teplota vody, tím znatelnější je proudění. Těmito pohyby se voda promíchává a její teplo se přenáší ke stěnám nádobky. Pokles teploty teplejší vody mohl být výrazně vydatnější než u studené, kde ke konvekci dochází zřídka. S tím souvisí i teplotní křivka, ta musí být v celém intervalu strmější než křivka studené vody. Vliv konvekce na mrznutí kapaliny lze poměrně snadno ukázat následujícím způsobem. Vezmeme dvě stejné sklenice, do první nalijeme obyčejnou vodu z vodovodního kohoutku a do druhé vodu s dostatečným množstvím soli, připravíme téměř nasycený roztok. Do každé z takto připravených nádobek vhodíme kostku ledu a měříme dobu, za kterou se úplně roztaje. Překvapivě dříve roztaje kostka ve slaném roztoku, experimentálně je zjištěno, že kostka ve vodě obyčejné taje cca o 10 min déle než v roztoku. Tento rozdíl je způsoben různou hustotou kapaliny. Konvekce má tedy v tomto případě zásadní vliv na rychlost změny.

Tento argument je ovšem také zařazen pouze mezi

domněnky, jelikož konkrétní důkazy, že se proudění významně uplatňuje na Mpembově jevu chybí.

29

Obr.7 Konvekce v kapalině ( Zdroj: www.seed.slb.com/en/scictr/watch/bathroom/toohot.htm, 23.3.2008)

3.2.4. PŘÍTOMNOST PLYNU Další možné vysvětlení tvrdí, že určitou roli může hrát i přítomnost rozpuštěných plynů v kapalině. Horká voda může zadržet méně rozpuštěného plynu než studená a velké množství plynu také uniká při vaření. Takže zpočátku teplejší voda může mít méně rozpuštěného plynu než zprvu voda studená. Rozpuštěné plyny mohou změnit termodynamické konstanty vody, také usnadňují vznik konvekčních proudů, které ochlazování ulehčují. Obecně je známo jen to, že přítomnost plynu může narušovat vytváření krystalické struktury ledu. Otázka je, zda toto může významně ovlivnit vlastnosti vody způsobem, který vysvětluje Mpembův jev.

3.2.5. PŘECHLAZENÍ Přechlazení může být tím dalším argumentem pro vysvětlení Mpembova jevu. To nastane, když voda nemrzne při 0°C, ale při nějaké nižší teplotě. Sdělení, že „voda zmrzne při 0° C“ je sdělení o nejnižším energetickém stavu vody – při nižší teplotě než 0° C, molekuly vody „chtějí“ být uspořádaný jako ideální krystal. To znamená, že zastaví proces

30

translokace, jako je tomu u kapalin, a místo toho vytvoří pevnou ledovou mříž. Ať tak nebo onak, molekuly se samy neumí zformovat do ledové mříže, potřebují proto nějakou malou nepravidelnost nebo vytvoření nových (zárodků) pozic k tomu, aby věděly jak se mají přerovnat. Jistý experiment zjistil, že zpočátku horká voda byla přechlazena méně než zprvu chladná. To by znamenalo, že teplejší voda by mohla zmrznout jako první, jelikož by se zmrazila při vyšší teplotě než voda studená. Byla by to sice pravda, ovšem jev by opět nebyl zcela úplně vyložen. Museli bychom ještě osvětlit to, proč je nejprve teplejší voda přechlazená méně, než voda studená. Zkrátka, aby horká voda zmrzla dříve musí být splněn široký okruh podmínek.

3.2.6. VLIV OKOLÍ Konečný rozdíl mezi zmrazením dvou kapalin nezáleží pouze na tekutině samotné, ale i na prostředí, které ji obklopuje. V některých případech zpočátku teplejší voda může zapříčinit změnu okolního klima a tak ovlivnit i samotný mrazící proces. Například, jestliže je nádoba s horkou kapalinou na vrstvě námrazy, led pod jejím dnem taje. O tomto jevu jsem se ovšem již zmínila v kapitole 3.2.1.

31

4. EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ

4.1. STANOVENÉ PODMÍNKY Je důležité znát faktory, které jsou spojeny s mrznutím teplé vody. V úspěšném experimentu chceme měnit pouze jednu proměnou, v našem případě teplotu, a ostatní zůstávají stejné. Musíme být také schopni určit, kdy jsme dosáhli požadovaného experimentálního výsledku.

Faktory, které musí zůstávají neměnné •

Teplota mrazničky

•

Množství vody v nádobě

•

Velikost, tvar a materiál nádoby

Jediné okolnosti, které měníme jsou počáteční teploty vody.

Značný problém může být určit správný čas, kdy je voda dostatečně zmrzlá. Mpemba si právě připravoval zmrzlinu, když náhodně přišel na svůj velký objev. Nepoužíval žádné časovače, které by mu oznámily moment, kdy je zmrzlina hotová. Naštěstí byl velice všímavý a dosti přesně postřehl rozdíl mezi zmrazením jeho směsi, zpočátku teplé, a zmrazení směsí svých spolužáků, které byly před uložením do mrazničky řádně vychlazeny. My pro podrobnější bádání můžeme použít teploměry, nebo, jak je tomu i v našem případě, teplotní sondy, které nám zcela jasně ukáží okamžik, kdy je teplota blízko spodní hranice teploměru a ustaluje se v bodu mrazu. Dle rad zkušených experimentátorů, nejlepší metodou jak opravdu vyzkoušet teorii je vykonávat experiment při různých teplotách vody. Tímto způsobem, bychom mohli najít tu správnou teplotu, kdy se zprvu teplejší voda zmrazí rychleji.

32

4.2. VLASTNÍ MĚŘENÍ

4.2.1 POUŽITÉ POMŮCKY Dlouhodobý spor o mrznutí teplé a studené vody jsem se pokoušela experimentálně potvrdit. Měření jsem prováděla pomocí termometru GMH 3250. Přístroj umožňuje měření časového průběhu teploty v malých objemech s přesností 0,1°C. Software GSOFT 3050, který je dodán s přístrojem, důkladně shromažďuje, zaznamenává a vyhodnocuje požadovaná data. Díky tomu dostáváme přehledné grafy, zobrazující závislosti teploty t na čase τ. Pro laboratorní výzkum jsem použila digitální teploměr GMH 3250 s dvěma teplotními sondami. Klíčovou pomůckou je mrazící box, při provádění experimentů byla mraznička prázdná, aby nebyly výsledky měření ovlivněny jinými materiály. Dále jsem v experimentech použila dvě totožné plastové nádobky, stejného objemu, obě uzavřené plastovými víčky, pouze s malými otvory pro již zmíněné sondy. Pro stejné množství kapaliny v obou nádobkách jsem používala odměrný válec.

4.2.2. POSTUP EXPERIMENTU Nejprve jsem si připravila vypůjčený notebook s nainstalovaným programem GSOFT 3050, zde jsem nastavila časový snímač, tak, aby zaznamenával hodnoty obou teplot ve shodných časových etapách. Změny teplot se tedy zapisovaly po 0,5s. Připravené nádobky, řádně zavíčkované a s teplotními snímači jsem vložila do mrazáku na přichystanou podložku z polystyrénu, to proto aby neproběhlo již výše zmíněné protavování teplé nádobky do vrstvy ledu na dně mrazničky, a na závěr jsem nastavila na softwaru GSOFT 3050 začátek měření. Na digitálním teploměru postupem času viditelně klesala teplota. Zprvu teplejší kapalina se znatelně rychleji ochlazovala, než voda pokojové teploty. V konečných grafech, kde jsou všechny hodnoty přehledně rozprostřeny pak snadno můžeme pozorovat zda dochází čí nedochází k Mpembova jevu.

33

VÝSLEDNÉ GRAFY Obr.1. Křivky destilované vody

Počáteční teploty:

- 38,8°C - 19,7°C

Obr.2. Křivky destilované vody


- 37°C - 19,3°C 34

První dvě měření jsem provedla s destilovanou vodou. V odměrném válci jsme odměřili 50ml tekutiny a dali do mikrovlnné trouby na dvě minuty ohřát. Takto připravenou vodu jsem přelila do plastové nádobky, do druhé nádobky jsem nalila opět 50ml destilované vody pokojové teploty.

Obr.3. Křivky obyčejné vody z vodovodu


- 28°C - 17°C

Další měření bylo provedeno obdobně, pouze s tím rozdílem, že jsem použila různé kapaliny. V třetím grafu například můžeme sledovat mrznutí studené vody z vodovodu a opět ohřáté vody z mikrovlnky, nyní ovšem už je převařená. Čtvrtý až sedmý předložený graf zobrazuje křivky různých objemů vody. Obyčejné studené vody z vodovodu je pokaždé 80ml, ovšem teplé vody vždy o několik ml méně. Nejzajímavější je podle mého názoru graf č.6. Zde můžeme pozorovat, jak se křivky téměř překrývají. Je tedy zajímavé, že při takovémto množství, lze sledovat zdánlivý Mpembův jev

35

Obr.4. Křivky různých objemů vody


- 50ml - 57°C

- 80ml - 19°C



- 75ml - 47°C 36

- 80ml - 19°C



- 70ml – 41,5°C

- 80ml - 19°C


Počáteční teploty: :

- 65ml – 43°C 37

- 80ml – 19,9°C

Obr.8. Křivky polotučného mléka


- 66°C

- 16°C

Graf číslo osm popisuje závislost chladnutí polotučného mléka. Tento experiment se asi nejvíce přibližoval k podmínkám Mpembova jevu, který vlastně svůj pokus provedl na oslazeném mléce. Jedna část mléka je ohřátá v mikrovlnce, druhá stejná část má pokojovou teplotu. Jak je zjevné na grafu (obr.8), zde opravdu k tomuto jevu nedochází. Ve zbylých pěti grafech je zobrazeno výsledné měření roztoků vody s NaCl. Roztoky NaCl jsme použili z následujícího důvodu: jedna z teorií vysvětlení tzv. Mpembova jevu vychází z možnosti tvorby a následné krystalizace klastrů, tj. shluků molekul vody. Rozpustíme-li ve vodě kuchyňskou sůl (obecně jakoukoliv iontovou sloučeninu), vzniknou kolem disociovaných iontů klastry a Mpembův jev by měl být velmi výrazný. Postupně je do vody přimícháváno více gramů soli, zůstává stejné jen množství vody, tj. 50ml. Graf devět tedy zobrazuje chladnutí 2% roztoku, namíchali jsme tedy do každé 50ml nádobky 1g NaCl. V následující grafu sledujeme chladnutí 10% roztoku, smícháno je 5g NaCl s 50ml vody. Při každém dalším pokusu byla přidána další NaCl, experimentovali jsme tedy s 20% roztokem, což je 10g NaCl v 50ml vody, 50% roztokem, 25g NaCl v 50ml vody až jsem zkoncentrovali roztok na 100%, složka NaCl dosáhla až 50g. Jak je ovšem vidět na následujících grafech, křivky se Mpembovu jevu nepřibližují.

38

Obr.9. Křivky 2% roztoku NaCl


- 30,8°C

- 21°C



- 52°C 39

- 20,3°C



- 30,1°C

- 20,3°C



- 67,8°C 40

- 19,9°C

Obr.13 Křivky 100% roztoku NaCl


- 44,4°C

41

- 19,6°C

ZÁVĚR První část mé práce je věnována unikátní látce – vodě. Pokusila jsem se o této substanci zachytit poznatky, které jsou všeobecně známé i různé zajímavosti, které jsou známé méně. Zmiňuji se o zásobách vody, které se bleskurychle ztenčují, uvádím i hypotézu o její paměti. Jedná se o jednu z nejdůležitějších látek, kterou k životu potřebujeme, bez vody by nemohl být život, vyskytuje se ve většině přírodních látek, kterými jsme obklopeni. Je v atmosféře, oceánech, půdě, živočišných tělech, rostlinách, potravinách, průmyslových výrobcích, je prostě všude. Má různá skupenství, a právě přeměnami skupenství se ve své práci zabývám. Tedy přesněji změnou kapalného stavu na pevný. V kapitole 2.6 se nepatrně zmiňuji o ledu, jakožto pevném skupenství vody, okrajově se zaobírám jeho složením i různými pozoruhodnými vlastnostmi. Nicméně hlavním cílem mé práce byl důkaz tzv. Mpembova jevu, který leží v hlavě nemalému počtu vědců. O jeho existenci se vedly dlouhé debaty, vyskytuje se o něm i řada sporů. Výsledky experimentů ukazují, že při pokusech, kdy byly dodrženy regulérní podmínky, což je stejný objem kapaliny v obou kádinkách, a kdy byly odstraněny ovlivňující faktory, které by mohly výsledky zkreslovat, neukázaly se žádné prokazatelné závěry. Ovšem při provedení pokusů s různými objemy kapaliny, kdy je nutno podotknout, že teplejší tekutiny bylo vždy méně, se opravdu jakýsi Mpembův jev ukázal. Můžeme tedy říci, že se jedná o artefakt a nikoliv o jev v pravém slova smyslu.. Dost možné je, že i sám Mpemba vložil do mrazničky o něco méně teplé směsi zmrzliny, než jeho kamarádi směsi studené. To by bylo dost pravděpodobné vysvětlení. Bohužel jsem nenašla dost seriózní literatury, abych zjistila jak tomu opravdu bylo, neobjevila jsem ani žádný důvěryhodný pramen, kde byly popsány experimenty prováděny kolektivem Dr. Osborna, který vlastně Mpembu a jeho objev představil veřejnosti. Kdyby totiž tyto pokusy byly detailně zaznamenány, možná by se tímto fenoménem nezabývalo tolik dychtivých vědátorů. Jestliže tedy připustíme, že šlo opravdu o různé množství teplé a studené vody, jev se jeví vcelku logický. Každopádně bylo velice zajímavé se tímto jevem zabývat a studovat množství vlivů, které by ho mohly vysvětlit a rozluštit tak tuto záhodnou otázku.

42

PŘEVZATÉ CITACE [1] Can hot water freeze faster than cold water?, [cit. 23. března 2008] (http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html) [2] Can hot water freeze faster than cold water?, [cit. 23. března 2008] (http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html) [3] Can hot water freeze faster than cold water?, [cit. 25. března 2008] (http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html) [4] Does hot water freeze first?, [cit. 29. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [5] BUDIL, Ivo. Meteorologie jako součást vševědy, Duben 2002 [cit. 15.února 2008] (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/33355) [6] BUDIL, Ivo. Meteorologie jako součást vševědy, Duben 2002 [cit. 15.února 2008] (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/33355) [7] KARPENKO, Vladimír. Voda, která nechce zamrzat, Duben 2000 [cit.14.února 2008 ] (http://www.rozhlas.cz/veda/portal/_zprava/6892) [8] KARPENKO, Vladimír. Voda, která nechce zamrzat, Duben 2000 [cit.14.února 2008 ] (http://www.rozhlas.cz/veda/portal/_zprava/6892) [9] Does hot water freeze first?, [cit. 30. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [10] Does hot water freeze first?, [cit. 29. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [11] Does hot water freeze first?, [cit. 29. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [12] Does hot water freeze first?, [cit. 2. dubna 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [13] Does hot water freeze first?, [cit. 29. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [14] Does hot water freeze first?, [cit. 2. dubna 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493)

43

[15] Does hot water freeze first?, [cit. 29. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [16] Does hot water freeze first?, [cit. 29. března 2008] (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) [17] BÖHM, Pavel. Diplomová práce: Mpembův jev – skutečnost nebo fikce? (Vliv historie na mrznutí vody) Praha 2006, [cit. 4.dubna 2008] (http://mpemba.bohms.name/diplomka.pdf)

44

SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek č. 1: Molekula voda (http://en.wikipedia.org/wiki/Water_(molecule), 4.3.2008 ) Obrázek č. 2: Stavba molekuly vody (www.lsbu.ac.uk/water/images/molecul2.gif, 12.3.2008) Obrázek č. 3: Mřížková struktura ledu (www.solarnavigator.net/images/ice_crystal_lattice.gif, 2.2.2008) Obrázek č. 4: Různé struktury klastrů (web.mst.edu/~hale/web/bhale.html, 3.2.2008) Obrázek č. 5: Struktura vody v závislosti na teplotě a tlaku (http://www.pi-voda.cz/vzdelavani/vodaobecne/vodavwudypritomna.htm, 10.2.2008) Obrázek č. 6: Výsledky detailních experimentů doktora Osborna (http://www.oufusion.org.uk/newswinter05/fusionnewswinter05.htm, 2.4.2008) Obrázek č. 7: Konvekce v kapalině (www.seed.slb.com/en/scictr/watch/bathroom/toohot.htm, 23.3.2008)

45

POUŽITÉ ZDROJE 1. Voda stále zůstává všudypřítomná ,(10.2.2008, 22:33), (http://www.pivoda.cz/vzdelavani/vodaobecne/vodavwudypritomna.htm) 2. Voda, která nechce zamrzat – Věda a technika (Český rozhlas),(14.2.2008, 20:19), (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/6892) 3. Je voda globální problém lidstva? – Věda a technika (Český rozhlas) (14.2.2008, 20:45), (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/52830) 4. Kolik vody v sobě ukrývá planeta Země – Věda a technika (Český rozhlas), (14.2.2008, 21:33), (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/31921) 5. Naše sestra voda VII: Země-vodní planeta - Věda a technika (Český rozhlas), (14.2.2008, 22:10), (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/116975) 6. Meteorologie jako součást vševědy - Věda a technika (Český rozhlas), (15.2.2008, 21:13), (http://www.rozhlas.cz/vede/portal/_zprava/33355) 7. Zajímavá fyzika – podivuhodná látka voda - Věda a technika (Český rozhlas), (15.2.2008, 23:33), (http://www.rozhlas.cz/vede/veda/_zprava/260077) 8. Vesmír – Ještě jednou o zamrzání horké vody, (15.2.2008, 23:56), (http://www.vesmir.cz/clanek.php3?CID=1839) 9. Co zmrzne dřív teplá voda, nebo studená? (21.2.2008, 21:10), (http://www.vesmir.cz/soubory/2002_V616-617.pdf) 10. Can hot water freeze faster than cold water?, (25.2.2008, 18:22), (http://www.weburbia.com/physics/general/hot.water.htm) 11. FyzWeb, (28.2.2008, 20:56), (http://fyzweb.mff.cuni.cz/odpovedna/indexprn.php?string=mrznut%ED) 12. The Mpemba Effect - Hot water Freezes before Cold, (28.2.2008, 21.09), (http://www.school-for-champions.com/science/experiments/expmatterstates2.htm) 13. BÖHM, Pavel. Diplomová práce: Mpembův jev – skutečnost nebo fikce? (Vliv historie na mrznutí vody) Praha 2006, (19.2.2008, 17:35), (http://mpemba.bohms.name/diplomka.pdf)

46

14. Hot Water Freezes Faster Than Cold, ( 22.3.2008, 19:16), (http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/chem00/chem00930.htm) 15. JENIŠOVÁ, Dagmar. Diplomová práce: Mpembův jev. Brno: MU, 2007 16. Can hot water freeze faster than cold water?, (23.3.2008, 20:22), (http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html) 17. Does hot water freeze first?, (29.3.2008, 14:49), (http://physicsworld.com/cws/article/print/24493) 18. Making Ice Cream and Scientific Thinking, (2.4.2008, 13:09), (http://www.oufusion.org.uk/newswinter05/fusionnewswinter05.htm) 19. Mpemba effect, Wikipedia, the free encyclopedia, (3.4.2008, 23:55), (http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect) 20. Hot stuff makes an ice surprise!, (4.4.2008, 01:55), (http://www.bbc.co.uk/gloucestershire/weather/2003/12/ice.shtml)

47

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA FYZIKY MPEMBŮV JEV. Bakalářská práce

Recommend Documents