מדענים עדיין תוהים: למה מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים?

הנה ניסוי שאפשר, אם כי לא רצוי, לעשות בבית: אם יש לכם מקפיא עם שתי תבניות קרח, מלאו אחת במי ברז פושרים ואחת במים רותחים שנותרו בקומקום אחרי שהכנתם קפה. איזו מהן תקפא קודם? ההיגיון אומר שהמים הפושרים, כמובן, הם צריכים לאבד פחות חום כדי להגיע לנקודת הקיפאון. אבל בתנאים מסוימים, המים החמים יקפאו מהר יותר.

זו לא בעיה בפריזר שלכם. זו תופעה מדעית מאומתת, שנקראת אפקט מְפֶּמְבַּה (Mpemba) - ולמרות עשרות שנות מחקר, אין עדיין הסכמה מלאה על מה שגורם לה.

הגילוי: תלמיד תיכון וגלידה חמה

התופעה התגלתה לראשונה בשנת 1963 בטנזניה. אֶרַסְטוֹ מפמבה, תלמיד תיכון בן 13, הכין גלידה בשיעור בישול. כדי שלא לאבד את תורו במקפיא המשותף, הוא הכניס את תערובת החלב החמימה שלו ישירות למקפיא בלי לחכות שתתקרר. למרבה הפתעתו, הגלידה שלו קפאה מהר יותר מאלו של חבריו שחיכו שהתערובת תתקרר לפני שהכניסו אותה למקפיא. המורה והתלמידים צחקו, אבל הסקרנות המדעית של מפמבה ניצתה.

כמה שנים מאוחר יותר, כשביקר פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת דאר אֶס-סלאם, ד"ר דניס אוסבורן, בבית הספר, מפמבה שאל אותו למה אם מכניסים שני כלים זהים עם מים בנפח שווה - אחד בטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס והשני בטמפרטורה של 100 מעלות - למקפיא, הכלי עם הנוזל החם יותר קופא קודם.

ד"ר אוסבורן הופתע מהנחת היסוד והיה סקפטי, אבל החליט לבדוק. התוצאה: מפמבה צדק. ב-1979, השניים פרסמו מאמר משותף בכתב העת Physics Education, ומאז התופעה נקראת "אפקט מפמבה".

אריסטו כבר ידע

מתברר שמפמבה לא היה הראשון שהבחין בתופעה; באופן אירוני, אריסטו, הפילוסוף היווני שמפמבה נקרא בשמו, כתב עליה במאה ה-4 לפני הספירה (כלומר לפני כ-2,400 שנה): "העובדה שהמים התחממו קודם עוזרת להם להתקרר מהר יותר, לכן, אנשים רבים שרוצים לקרר מים חמים במהירות, מתחילים (דווקא) בהנחתם בשמש".

גם פרנסיס בייקון, שחי בסוף המאה ה-16 ותחילת ה-17, ורנה דקארט, שחי גם הוא במאה ה-17, כתבו על תופעה דומה, אבל אף אחד לא הצליח להסביר אותה באופן מניח את הדעת.

האם זה באמת קורה?

לפני שנסביר למה זה קורה, חשוב לציין: התופעה לא תמיד מתרחשת. היא תלויה בתנאים מאוד, מאוד מסוימים, כמו סוג הכלי, נפח המים, הטמפרטורות הספציפיות, איכות המים (זיהומים, מינרלים) ותנאי הקירור (מקפיא, אקלים וכו').

בתנאים מסוימים, המים החמים אכן קופאים מהר יותר. בתנאים אחרים - הם לא. וזה חלק מהבעיה: התופעה לא עקבית לחלוטין, מה שמקשה על מחקר שלה.

ההסברים המוצעים – ויש הרבה

למרות עשרות שנות מחקר, עדיין אין הסבר אחד מוסכם. במקום זאת, יש מספר תיאוריות, שכל אחת מהן עשויה להסביר חלק מהתופעה בתנאים מסוימים:

1. אידוי - אובדן מסה

ההסבר: מים חמים מתאדים מהר יותר. כשהם מאבדים מסה על ידי אידוי, נשארים פחות מים לקפוא. פחות מים = קיפאון מהיר יותר.

בעד: זה הסבר פשוט וישיר שעובד בתנאים רבים.

נגד: במקפיא סגור, האידוי בכל מקרה מינימלי, ובכל זאת התופעה קורית לפעמים. בנוסף, אפילו כשמתקנים מסה שאבדה, לפעמים המים החמים עדיין קופאים מהר יותר.

2. הסעה (Convection) – זרימת חום טובה יותר

ההסבר: מים חמים יוצרים זרמי הסעה חזקים יותר - מים חמים עולים, מים קרים יורדים. זה יוצר תנועה מתמדת, שמפזרת את החום במהירות רבה יותר לסביבה. במים קרים, הזרמים חלשים יותר, והחום מתפזר לאט יותר.

בעד: זה מסביר למה בכלים מסוימים התופעה חזקה יותר מבכלים אחרים.

נגד: בניסויים מבוקרים שמנטרלים הסעה, התופעה עדיין מתרחשת.

3. שכבת קרח מבודדת

ההסבר: מים קרים מתחילים לקפוא מהחוץ פנימה, ויוצרים שכבת קרח על פני השטח, שמתפקדת כמבודד תרמי (כפי שקורה באגמים בחורף). השכבה הזו מאטה את אובדן החום של המים שמתחתיה. מים חמים, לעומת זאת, לא יוצרים את שכבת הקרח המבודדת בהתחלה, ולכן מאבדים חום מהר יותר.

בעד: תופעה זו נצפתה בניסויים רבים.

נגד: התיאוריה לא מסבירה מקרים שבהם התופעה קורית בכלים פתוחים או בתנאים שונים.

4. גזים מומסים

ההסבר: מים קרים מכילים יותר גזים מומסים (חמצן, פחמן דו-חמצני) מאשר מים חמים. חימום משחרר חלק מהגזים האלה. גזים מומסים עשויים להשפיע על תהליך הקיפאון בדרכים שונות: הם עלולים לשנות את נקודת הקיפאון, את מבנה הקרח, או את העברת החום.

בעד: מחקרים הראו שסילוק גזים מומסים משנה את קצב הקיפאון.

נגד: לא ברור שזה מספיק כדי להסביר את כל אפקט מפמבה.

5. קשרי מימן

ההסבר: זו התיאוריה המורכבת והמדויקת יותר. מים חמים מכילים קשרי מימן מתוחים בין המולקולות. כשהמים מתקררים, הקשרים האלה משתחררים ומשחררים אנרגיה. מחקר מ-2013 טען שהשחרור האנרגטי הזה מאיץ את תהליך הקירור בצורה פרדוקסלית (פרדוקסלית משום שבד”כ, שחרור אנרגטי יוצר חום).

בעד: זה מסביר את התופעה במישור המולקולרי.

נגד: המחקר שנוי במחלוקת, ולא כל המדענים מקבלים אותו. ניסיונות לשחזר את התוצאות לא תמיד הצליחו.

6. תכונות תרמודינמיות משתנות

ההסבר: למים יש תכונות תרמודינמיות לא-רגילות. למשל, החום הסגולי (specific heat) של מים משתנה בטמפרטורות שונות. במים חמים, החום הסגולי עשוי להיות שונה באופן שמאפשר אובדן חום מהיר יותר בשלב מסוים של הקירור.

בעד: זה מבוסס על מדידות תרמודינמיות אמיתיות.

נגד: קשה לכמת ולהוכיח שזה מספיק כדי להסביר את האפקט המלא.

ניסויים סותרים ובעיות מדעיות

כאמור, חלק מהבעיה עם אפקט מפמבה היא שניסויים שונים מביאים לתוצאות שונות: חלק מהמחקרים מוצאים את האפקט בבירור, חלק אחר לא מוצאים אותו בכלל, ואחרים מוצאים אותו רק בתנאים מאוד ספציפיים. זה הוביל לוויכוח ער: האם אפקט מפמבה בכלל קיים כתופעה עקבית?

מחקר שפורסם ב-2016 בכתב העת Scientific Reports טען שאפקט מפמבה לא באמת קיים, והתוצאות הקודמות נבעו משגיאות מדידה או מתנאים לא מבוקרים. אבל מחקרים עדכניים יותר מ-2020 ומ-2021 דווקא תמכו בקיומו בתנאים מסוימים.

התוצאה: המחקר ממשיך.

מעבר לכך, קיימים ניסיונות להוכיח שאפקט מפמבה אולי אינו ייחודי למים, אלא תופעה פיזיקלית רחבה יותר של מערכות לא-שיוויוניות (Non-equilibrium Systems).

למה זה חשוב?

מדוע מדענים משקיעים זמן בתופעה הזו?

1. הבנת תרמודינמיקה: אפקט מפמבה מאתגר את ההבנה שלנו על איך מערכות מתקררות;
2. פיזיקה של מערכות מורכבות: מים הם חומר מוזר, עם תכונות ייחודיות רבות שאנחנו עדיין לא מבינים לגמרי;
3. יישומים פרקטיים: הבנה טובה יותר עשויה לשפר תהליכים תעשייתיים של קירור והקפאה;
4. חינוך: זו דוגמה מצוינת לכך שהמדע לא יודע הכל, וששאלות פשוטות יכולות להיות מאתגרות.

האם זה שימושי?

אז האם כדאי להשתמש במים חמים לקוביות קרח? לא ממש. הסיכוי שזה יעבוד אינו 100%, והסכנה לשפוך מים רותחים, או לגרום למוצרים אחרים להפשיר ולאבד את הטריות או לגרום נזק לפריזר עצמו, גבוהה מדי. אבל זה מעניין מבחינה מדעית.

כסף קר

בשנת 2012, האגודה הבריטית המדעית Royal Society of Chemistry הציעה פרס של 1,000 ליש"ט למי שיספק את ההסבר הטוב ביותר לאפקט מפמבה. מאות מועמדים הגישו הסברים. הזוכה היה ניקולה ברקון, בן 11 מקנדה, עם הסבר פשוט על הסעה ואידוי - אבל המדע ממשיך לחפש את ההסבר המלא והמקיף עד היום.

מי שרוצה לקרוא עוד כמה מחקרים על התופעה מלבד אלה שהזכרנו למעלה, ולהיווכח עד כמה המדענים עצמם לא בטוחים בקשר אליה, יכול להיכנס למחקר הזה מ-1995, זה מ-2010, זה מ-2018 שבו שותפים שלושה חוקרים ישראלים ממוסדות שונים וזה שפורסם ממש בשנה שעברה.