Mpemba Etkisi: Sıcak Su, Soğuk Sudan Daha mı Hızlı Donar?

🎧 Bu konuyu sohbet eşliğinde öğren · Sıcak suyun soğuk suyu sollama sırrı

►«1530»0:00 / 0:001×⤴

Yapay zeka ile seslendirildi.

Sıcak suyun, soğuk sudan daha hızlı donabileceğini söylesek inanır mıydınız? Mpemba etkisini bilmiyorsak aklımıza gelen ilk cevap muhtemelen daha soğuk olan suyun daha hızlı donacağı olsa da bu her zaman doğru değildir.

Mantığımız, soğuk suyun donmasının daha az enerji gerektireceğini ve bu sebeple ilk onun daha hızlı donacağını düşündürüyor olsa da, bu durum her zaman bu kadar basit olmayabiliyor. Birçok sebep çerçevesinde gerçekleşen Mpemba etkisi, bazı durumlarda sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasını sağlayabiliyor. Peki, nedir bu Mpemba etkisi?

Mpemba Etkisinin Tarihçesi: Aristoteles’ten Modern Bilime

Bu etki aslında adını aldığı lise öğrencisi Erasto Mpemba’dan önce de birçok düşünür tarafından fark edilmiş ve açıklanmıştı. Bu etkiyi fark ettiği bilinen ilk insan olan Aristoteles, MÖ 4. yüzyılda Meteorologica adlı eserinde bazı durumlarda, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donabileceğini belirtmişti.

Daha sonraları Francis Bacon da Novum Organum adlı eserinde bu fenomene değinmişti. Bu iki isim dışında da elbette ki birçok isim bu olgu üzerine yorumlamalarda bulunmuş olsa da bu gözlemler genel olarak sistematik deneylere dayanmıyordu.

Bilimin zamanla gelişmesi ile bilim insanları bu olgunun gerçeklik durumunu sorgulamaya başladılar.

Liseli Mpemba’nın Keşfi

Bu etkinin günümüzdeki adını almasını sağlayan kişi 1960’larda Tanzanyalı bir lise öğrencisi olan Erasto Mpemba’dır.

O zamanlarda Tanzanya’da bir lisede okuyan Erasto, sınıf arkadaşlarıyla birlikte dondurma yaptı. Ancak Erasto Mpemba arkadaşlarının aksine aceleci davranarak, hazırladığı süt karışımını soğutup dondurucuya koymak yerine karışımı henüz sıcakken dondurucuya yerleştirdi. O gün Mpemba’nın karışımının, arkadaşlarının soğuması beklenmiş karışımlarından hızlı donması ise Mpemba’nın aklına takılmıştı.

İlk başlarda bu durumu arkadaşlarına ve öğretmenlerine anlatmış olsa da kimse onu ciddiye almamıştı. Herkes bunun mantıksal olarak imkânsız olduğunu düşünüyordu. Öğretmenleri, Mpemba’nın iddia ettiği şeyin fizik yasalarına aykırı bir şey olduğunu belirtiyor; arkadaşları onunla dalga geçiyordu.

Ancak Mpemba pes etmedi ve durumu tekrar tekrar gözlemledi. Sonucunda ise gerçekleştirdiği deneylerin sonucunun çoğu kez aynı olduğuna ulaştı: sıcak su soğuk sudan daha hızlı donuyordu.

Mpemba’nın Keşfinin Bilim Dünyasına Girişinin Anahtarı: Denis Osborne

1963 yılında, Denis Osborne adında bir fizikçi, Tanzanya’ya giderek eğitim projelerinde yer aldı. O dönemlerde Tanzanya, henüz bağımsızlığını yeni kazanmış genç bir ülkeydi ve kalkınmanın temel taşlarından biri olarak eğitime, özellikle de fen bilimlerine büyük önem veriyordu. Osborne da İngiliz Milletler Topluluğu’nun bir eğitim programı kapsamında ülkenin farklı bölgelerindeki çeşitli liseleri ziyaret ederek öğrencilere temel fizik kavramlarını ve termodinamik hakkında dersler veriyordu. Öğrencilere, fiziği gündelik hayatlarında ilişkilendirebilecekleri örneklerle sevdirmeyi amaçlayan Osborne, bu hedef doğrultusunda hem öğretmenler hem de öğrenciler ile birebir iletişimlere önem verdi.

Mpemba ise çevresindekilerin yorumlarına rağmen elindeki bu fırsatı kaçırmadan Osborne’un okuluna geldiğini duyunca onunla bu konuyu konuşmak istedi. Fizik derslerinden birinde, tüm cesaretini toplayarak Osborne’a şu soruyu sordu:

“Eğer aynı miktarda sıcak ve soğuk suyu aynı koşullarda dondurucuya koyarsam, neden bazen sıcak olan daha hızlı donuyor?”

Bu soru Osborne’u şaşırtmıştı çünkü o zamana kadar hiçbir bilim insanı bu soruyu ciddi bir şekilde ele almamıştı. Bu sebeple, ilk başta Osborne da bu fikre şüpheyle yaklaşsa da Mpemba’nın ısrarcı olması ilgisini çekti ve bu konuyu laboratuvar ortamında test etmeye karar verdi.

Denis Osborne, Mpemba’nın deneylerini incelediğinde gerçekten ilginç bir durum olduğunu fark etti. Kendi laboratuvarında yaptığı deneylerde de sıcak suyun bazen soğuk sudan daha hızlı donduğunu gözlemledi. Bu sonuçları daha sistematik bir şekilde inceleyerek, 1969 yılında “Physics Education” dergisinde birlikte “Cool?” isimli bir makale yayımladılar.

Bu tarihten sonra bu olgu artık “Mpemba Etkisi” olarak anılmaya başlanmış oldu.

Mpemba Etkisinin Belirsizliği

Mpemba etkisi, keşfedildiği ilk zamanlardan bu yana birçok bilim insanının ilgisini çekmiş olsa da, günümüzde hâlâ bu olgunun neden ve nasıl gerçekleştiğine dair kesin bir uzlaşı bulunmamaktadır. Bu belirsizliğin temelinde, su molekülünün karmaşık yapısı ve etkili olan çok sayıda parametrenin varlığı yatmaktadır. Ayrıca, yapılan deneylerin her zaman tutarlı sonuçlar vermemesi de bu durumu daha da karmaşık hâle getirmektedir.

Günümüzde, Mpemba etkisini anlamak için fizik, kimya ve mühendislik alanlarında birçok deneysel ve kuramsal çalışma yürütülmektedir. Özellikle son yıllarda gerçekleştirilen moleküler dinamik simülasyonları ve nano ölçekteki deneyler, bu etkinin nedenlerini öğrenmemizde etkili adımlar atmamızı sağlamışlardır. Suyun yalnızca makroskobik özelliklerini değil, moleküller arası etkileşimleri de inceleyen bu çalışmalar, daha önce fark edilmemiş bazı mekanizmaların ortaya çıkarılmasını sağlamıştır.

Bu kapsamda fiziksel kimyager Nikola Bregović’in “Mpemba Effect from a Viewpoint of an Exparimental Physical Chemist” adlı çalışması, etkiyi deneysel bir kimyacı olarak çözümlemeyi amaçlamaktadır. Bregović, bu makalede Mpemba etkisini açıklamaya yönelik birbirinden farklı hipotezleri değerlendirip yorumlarken, bir taraftan da özellikle deneysel koşulların titizlikle kontrol edilmesinin önemli olduğunu betimlemiştir.

Bu etkinin gözlemlenmesinde; başlangıç sıcaklığı, buharlaşma, konveksiyon akımları ve çözünmüş gazların rolü gibi birçok değişkenin karmaşık bir şekilde etkileştiğini vurgular. Bu yönüyle makale, Mpemba etkisinin sadece tek bir nedene bağlanamayacak kadar çok yönlü bir doğası olduğunu ortaya koymuştur.

Günümüzdeki Görüşler

2017 yılında yapılan süper bilgisayar destekli simülasyon çalışma, suyun içindeki hidrojen bağlarının Mpemba etkisinde önemli bir rol sahibi olabileceğini gösterdi. Bu yargının arasındaki dayanak, sıcak sudaki hidrojen bağlarının daha hızlı ve düzenli kristalleşebileceğini belirtiyor.

Öte yandan başka deneylerde ise buharlaşma, sıcaklık dağılımı, su damlacıklarının yüzey alanı ve hacmi gibi faktörlerin bu olguda belirleyici olduğunu belirterek bu kavrama çeşitlilik kazandırıldı. Hatta öyle ki bu çalışmalar bu etkinin sebebinin sadece makroskobik değil, aynı zamanda mikroskobik ve nano düzeylerde de farklılıklar gösterebileceğini öne sürmüştür.

Yazarın Yorumu ve Çıkarımlar

Günümüzde, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasına sebep olan Mpemba etkisininin tam mekanizmasını açıklayamıyor olsak bile, gelişen teknoloji ve araştırma yöntemleri sayesinde bu olguya karşı olan anlayışımız her geçen gün gelişmektedir. 

Ancak bunun ötesinde Mpemba etkisinin tam olarak açıklanamaması, acaba suyun davranışlarını anlamada ve diğer konularda hâlâ bazı temel şeyleri bilmediğimizin bir göstergesi olabilir mi? Gelecekte, süper bilgisayar simülasyonları sayesinde klasik termodinamik modellerinin yeterli olmadığının anlaşılması üzerine modern bir termodinamik modeli geliştirilebilir mi?

Tüm bu sorular bir yana gelecek gerçekten de heyecan verici, özellikle de bilim dünyası için.

Kaynakça ve İleri Okuma