Bizi-baratzea

Izozki bat Termodinamikaren aurka
2022-06-10  |  Aiora Zabala  |  Joxemi Campillo

Nori ez zaizkio izozkiak gustatzen? Euskal Herriko ume gehienei, behintzat, bai. Tanzanian ere horrela da, are gehiago, bertan egon ohi diren tenperaturak kontuan hartuta. Horiek horrela, 1963an Tanzaniako ume batek izozkia prestatzerakoan behatutakoak zeresana sortzen du oraindik ere. Izan ere, batzuetan ur beroa ur hotza baino arinago izozten da. Artikulu honetan efektu bitxi horren historia, ezaugarriak eta azalpen saiakerei buruz dihardugu.

1963an, Tanzaniako Tanga eskualdeko Magamba-ko Bigarren Hezkuntzako ikasleek izozkia egin zuten. Horretarako esnea azukrearekin nahasi eta egosi zuten. Nahastea giro-tenperaturara hoztu ondoren, izozkailuan sartu behar zuten. Hala ere, eskolako izozkailuan leku gutxi zegoenez, ikasle batek nahastea presaka sartu zuen egosi gabe. Jarraian, beste ikasle batek, Erasto B. Mpemba-k, nahastea egosita baina hozten utzi gabe sartu zuen, lekurik gabe ez geratzeko. Ordu eta erdi beranduago, Erastorena izoztuta zegoen, eta bestea oraindik ez! Nola da posible hori? Intuizioaren eta Termodinamikaren aurka doa!

Bere irakasleek zein ingurukoek garrantzirik ez eman arren, Mpembak gertatutakoari azalpena eman nahi zion. Urte batzuk geroago, Denis Gordon Osborne, Dar es Salaam-eko unibertsitateko irakaslea, ezagutu zuen Mkwawa-ko Bigarren Hezkuntzako eskolan. Ondoren, Mpemba eta Osborne elkarlanean aritu ziren, eta 1969an plazaratutako artikulu batean izozkiarekin gertatutakoa azaltzen saiatu ziren, horretarako ura erabiliz. Ordutik fenomeno bitxi horri Mpemba efektua deritzo.

Eta aurretik zer?

Erastoren behaketaren ondoren, komunitate zientifikoan efektu termiko bitxien inguruko interesa berpiztu zen. Izan ere, historian zehar hainbatetan behatu eta jaso izan dira Mpemba efektuaren gisako fenomenoak. Ikus irudi honetako ardatz kronologikoa:

Mpemba efektuaren aipamenak historian zehar (Egilea: M. Hernandez).

Dirudienez, Aristotelesek egin zion Mpemba efektuari lehenengo aipamena. K.a. 350. urtearen inguruan: ura lehenago berotzeak ondoren arin izoztea zekarrela idatzi zuen Meteorologica liburuan. Beraz, ura bizkor hozteko, eguzkitan jartzea komeni zela zioen. Adibidez, Ponto eskualdean izotzetan arrantzatzean, kanaberen inguruan ur beroa botatzen zuten azkar finkatzeko.

XIII. mendean, iraultza zientifikoaren aurretik, Roger Bacon-ek esperimentuen garrantzia azpimarratu zuen Zientziaren garapen egokirako. Bere iritziz ere, baldintza zehatz batzuetan, ur beroa arinago izoztu daiteke ur hotza baino.

Erdi Aroaren bukaeran, 1461ean, Giovanni Marliani-k ere Mpemba efektua behatu zuela adierazi zuen. Ondoren, XVII. mendean, beste bi lekukotasun topa ditzakegu. Alde batetik, 1620an, Francis Bacon-ek Novum organum scientiarium lana argitaratu zuen, bertan efektuaz mintzatuz. Bestetik, 1637an, René Descartes-ek Les Meteores lana argitaratu zuen (Metodoaren Diskurtso famatuaren eranskin modura), fenomeno bitxiari erreferentzia eginez.

XVIII. mendean, kalorikoaren teoria garatu zen. XIX. mendearen erdialdean baztertu bazen ere, oraindik kalorikoaren aztarnak egunerokoan topa ditzakegu. Gaur egungo bero-transferentziaren teoriak onartu ostean, Mpemba efektuaren behaketak baztertuak izan ziren, kontraesankorrak zirelako.

Bitxia bada ere, Mpemba efektua luzaroan izan da ezaguna giro akademikoetatik at. Esaterako, Kanadako folklorean "jakina da" egun hotz batean, egurrezko ontzi banatan ur beroa eta hotza jarriz gero, ur beroa arinago izozten dela. Egurrezko ontzi horietan estalkia jarriz gero, edo ontziak metalikoak badira, Mpemba efektua ezin da behatu. 1969an, George S. Kell-ek gertakari horien berri eman zuen artikulu batean. Baina bestelako gertakariak ere ezagunak dira kalean: adibidez, izozteetan ur beroko hodiak errazago lehertzen dira ur hotzetakoak baino. Beste adibide ikusgarria aipatzearren, zero azpiko tenperaturetan elur-malutak sortzen dira irakiten dagoen ura jaurtitzean, irudi honek erakusten duenez:

Mpemba efektuaren ohiko frogapena (egilea: M. Hernandez). Lehen irudian, ur beroa (balde gorria) eta ur hotza (balde urdina) zero azpiko ingurunean. Erdiko irudian, irakiten dagoen ura jaurtitzean, berehala izozten da, elur-malutak sortuz. Eskuineko irudian, ur hotzaren kasuan gertatzen dena: zati batek ere elur-malutak sortzen ditu, eta gainerakoa ur-tanten moduan erortzen da.  
Definizioa

Baina, zer da zehazki Mpemba efektua? Izatez ez dago unibertsalki onartutako definiziorik. Adibidez, har dezagun likido berdineko bi zati masa berberarekin, non desberdintasun bakarra likidoaren hasierako tenperatura den. Baldintza berdinen menpe (ontzi berdinean eta zero azpiko ingurune beraren eraginpean), likido beroa hotza baino arinago izozten bada, Mpemba efektua gertatu dela esango dugu. Batzuetan likidoa soilik izozte-punturaino heltzea eskatzen da, baina definiziorik zorrotzenean izozte-prozesua gertatzea ere beharrezkotzat jotzen da, ondoko irudiak erakusten duen bezala:

Bi ur-laginen izozte-prozesuak. Mpemba efektua ikusten da (Iturria: Wikipedia).
Zergatiak ulertu nahian

Termodinamikako legeen bitartez Mpemba efektua era sinplean azaltzea ezinezkoa da. Izatez, uraren hozte- eta izozte-prozesuak bereziki konplexuak dira. Are gehiago, Mpemba efektuak ez du Newtonen hozte-legea betetzen. Izan ere, gorputz batek galdutako energia gorputzaren eta haren inguruaren tenperatura-diferentziaren proportzionala da. Horren arabera, Mpemba efektua ezinezkoa litzateke.

Azken hamarkadetan, zientzialariek mota askotako teoriak plazaratu dituzte Mpemba efektua azaltzeko. Adibidez, 2012an, Erresuma Batuko Real Society of Chemistry aldizkariak lehiaketa antolatu zuen fenomeno bitxi hau argitzeko. Antza denez, Mpemba efektua hainbat fenomeno fisikoen konbinazioz sortzen da. Jarraian, horietariko batzuk azalduko ditugu:

• Lurrunketa. Likido bat lurruntzean, bi fenomeno garrantzitsu gertatzen dira. Alde batetik, likidoak masa galtzen du. Horrek, masa txikiko sistemetan, Mpemba efektua gertatzea erraztu dezake. Bestetik, likidotik energia xurgatu behar da lurrunketa gertatzeko (prozesu endotermikoa), eta horrek areagotzen du likidoaren tenperatura-jaitsiera. Hala ere, lurrunketa tenperatura altuetan soilik da garrantzitsua.

• Disolbatutako gasak. Likido hotzetan gas gehiago disolbatzen da likido beroetan baino. Hau da, likidoa irakitean, disolbatutako gasak murrizten dira. Adibidez, 0 ºC-etan dagoen uretan disolbatutako oxigeno kantitatea 15 mg/l-koa da, eta 100 ºC–etakoan, aldiz, 3 mg/l-koa. Gauzak horrela, likidoaren propietateak aldatzen dira disolbaturiko gas-kantitatearen arabera. Esate baterako, gas gutxiagoko likidoak energia gehiago transmititu dezake, lehenago hoztuz. Horrek erraztuko luke Mpemba efektua gertatzea.

• Konbekzioa. Konbekzio-korronteek likidoaren energia-askapena errazten dute. Konbekzioa zenbat eta handiagoa izan, orduan eta azkarrago hoztuko da likidoa. Konbekzioa ere tenperatura altuetan da garrantzitsua.

• Superhoztea. 0 ºC baino tenperatura baxuagoetan ura likido egoeran egoteari superhoztea deritzo. Ur beroaren izozte-prozesuan, adibidez, ura zero azpitik gradu gutxi batzuk mantendu daiteke likido egoeran. Ur hotzari dagokionez, ordea, izoztu arteko tenperatura-tartea handiagoa da. Horrek ur hotzaren izoztea zailtzen du.

Azken urteotako ikerketetan, lan bat azpimarratu daiteke. 2016an, Henry C. Burridge eta Paul F. Linden zientzialariek ikerketa sakona burutu zuten Mpemba efektuaren inguruan. Alde batetik, ordura arteko ikerketa garrantzitsuenak hartu eta alderatu zituzten, baina aurreko esperimentuak errepikatzeko informazioa falta zela ondorioztatu zuten. Eta bestetik, beraiek ere esperimentuak burutu zituzten urarekin, baina ez zuten Mpemba efektua behatu. 2020an Burridgek berak ikasle baten laguntzaz Mpemba fenomenoa behatu zuela adierazi zuen. Alabaina, ur beroaren hasierako abiapuntua ez zen ur hotzaren berdina izan, lixa-paperarekin ontziaren paretetan nukleazio-puntuak sortu baitzituzten (zimurtasuna handitzea) izoztea errazteko. Hau da, bi ur-masen hasierako baldintzak ez ziren berdinak izan.

Bestalde, 2017an, beste ikertzaile batzuk Mpemba efektua pikordun-jariakinetan behatu ahal izateko baldintza zehatzak aztertu zituzten teorikoki. Horrek badu bere garrantzia, efektua ez baita beti ikusiko. Adibidez, hasierako tenperaturak 99,9 ºC eta 0,01 ºC badira Mpemba efektua nekez gertatu daiteke. Horretan zihardutela, Mpemba efektuaren alderantzizkoaren existentzia ere baieztatu zuten. Hau da, hasieran hotzago dagoen sistema lehenago berotzen da hasieran beroago dagoena baino.

Mpemba efektuak guztiz azaldu gabe dihardu oraindik ere

Laburbilduz, urarekin Mpemba efektua gertatzen ez dela iradokitzen dute azken esperimentuek. Dena den, Mpemba efektua erreala da, eta lehen aipatu dugunez, laborategietatik kanpoko hainbat fenomenotan ere azaltzen da. 1969ra arte, zientzialariak ez ziren kezkatu gertakari horien jatorriaz, ezta azaltzeko teoria formal bat garatzeaz ere. Azken hamarkadetan, ordea, ikerketa asko gauzatu dira, baina zoritxarrez Mpemba efektuak guztiz azaldu gabe dihardu oraindik ere. Badirudi sistema berezi batzuetan behatu dela, esaterako, pikordun-jariakinetan, karbonozko nano-hodi erresonadoreetan eta gas-hidratoetan. Hala ere, Mpemba efektua interesgarria izan arren, bitxikeria bat besterik ez da. Egiatan, Termodinamikaren oinarrizko kontzeptuen ulermenerako ez da funtsezkoa. Hori bai, Mpemba efektuak behaketaren garrantzia gogorarazten digu, Zientziaren etengabeko garapenerako funtsezkoa da-eta.