אפקט מפמבה

אפקט מְפֶּמְבָּה הוא שם לתופעה שכאשר מקררים שני כלים זהים המכילים אותה כמות מים אך בטמפרטורה שונה, המים החמים קופאים לעיתים מהר יותר מהמים הקרים. התופעה תוארה לאורך ההיסטוריה עוד מימיו של אריסטו, אך זכתה להכרה על ידי הקהילה המדעית המודרנית רק לאחר שתלמיד תיכון מטנזניה בשם ארסטו ברתולומיאו מפמבה (Erasto Barthlomeo Mpemba) תיאר אותה בשנת 1969. קיימת אי-הסכמה בקהילה המדעית באשר לפרמטרים הנדרשים כדי להפיק את האפקט, כמו גם על הבסיס התאורטי של התופעה. מפמבה הבחין לראשונה בתופעה בשנת 1963 במהלך שיעור בישול, כאשר היה עליו להכין גלידה מתערובת שהורתחה וצוננה לטמפרטורת הסביבה בטרם הוכנסה למקרר. אחד הנערים הכניס למקרר תערובת שכלל לא הורתחה, ומפמבה, שחשש לאבד את המקום שהוקצה לו במקרר, הכניס את התערובת שלו לאחר שהורתחה אך מבלי שהמתין לצינונה. הוא שם לב שהתערובת החמה קפאה לפני תערובות קרות. מפמבה חזר ובדק את התופעה פעמים נוספות והגיע לאותה תוצאה: הנוזל החם קופא לפני הנוזל הקר. כשביקש מפמבה ממורהו הסבר לתופעה, לעג לו המורה בפני חבריו לכיתה, והם הצטרפו לבדיחה המתמשכת על "הפיזיקה של מפמבה". במהלך לימודיו נכח מפמבה בהרצאה שנושאה פיזיקה שהרצה ד"ר דניס אוסבורן מהקולג' האוניברסיטאי של דאר א-סלאם. לאחר ההרצאה שאל מפמבה את אוסבורן מדוע כאשר מכניסים למקפיא שני כלים זהים המכילים מים בטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס ובטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס, מקדימים לקפוא המים החמים. אוסבורן ביקש לבדוק את העניין ופנה לטכנאי מעבדה כדי שיחזור על הניסוי. הטכנאי אישר שמים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים, והוסיף "אבל אנחנו נחזור על הניסוי עד שיתקבלו התוצאות הנכונות". לאחר שאישר אוסבורן את ממצאיו של מפמבה, פרסמו השניים ב-1969 מאמר המתאר את תוצאות הניסוי. באותה שנה ובלי קשר למפמבה ואוסבורן, פרסם הקנדי ג'. ס'. קל (Kell) מאמר המתאר את אותה תופעה. מפמבה למד בקולג' לניהול חיי הבר האפריקאים במושי. בהמשך הוא השלים את לימודיו בניהול משאבי טבע בקולג' ללימודים מתקדמים בקנברה, אוסטרליה (כיום אוניברסיטת קנברה (אנ')) והמשיך ללימודי תואר שני באלפין, טקסס, ארצות הברית. הוא הועסק על ידי הוועדה האפריקאית ליערנות וטבע (African Forestry and Wildlife Commission) במשרד למשאבים טבעיים ותיירות של טנזניה. ב-2011 הוא פרש מעבודתו. במבט ראשון נראה אפקט מפמבה מנוגד לעקרונות תרמודינמיים ובלתי-אפשרי. הסיבה לכך נעוצה בהתבוננות צרה בתכונות המים הקרים והחמים, הנבדלים למעשה, עקב החימום, לא רק מבחינת הטמפרטורה שלהם אלא גם מבחינת תכונות נוספות. הגורם העיקרי לאפקט עדיין לא ידוע, והוצעו ונבחנו מנגנונים אחדים המסבירים את התופעה. נמצא שהאפקט אכן מתקיים, אך התרחשותו רגישה לתנאים שבהם הוא נבדק. הבדלים בתכנון הניסויים, כגון צורת כלי הקיבול של המים, שיטת הקירור, הרכב המים, הדרך לקביעת רגע הקפיאה של המים ואחרים מובילים לתוצאות שמצביעות בכל פעם על גורם אחר כמהותי בהיווצרות האפקט. על פי ניסויים שונים נמצאו הגורמים האפשריים הבאים לאפקט מפמבה: אידוי - אידוי מוגבר יותר במים החמים מקטין את המסה שלהם ולכן קטנה כמות המים שצריכה לקפוא. נוסף על כך, אידוי הוא תהליך אנדותרמי המוריד את טמפרטורת הסביבה. נמצא שלמרות שמנגנון האידוי הוא הסבר נוח לתופעה, האפקט נוצר גם בכלי קיבול אטומים שבהם אידוי אינו יכול לבוא לידי ביטוי. הסעת חום - מכיוון שלמים חמים יותר צפיפות נמוכה יותר (כל עוד טמפרטורת המים גבוהה מארבע מעלות), השכבה העליונה של המים חמה יותר מהשכבות שמתחתיה. בכלי עם המים החמים נוצרת שכבה עליונה חמה יותר מזו שבכלי עם המים הקרים (ונשארת כזו גם כאשר הטמפרטורה הממוצעת של המים בכלי משתווה לטמפרטורה הממוצעת של המצב ההתחלתי של הכלי עם המים הקרים) ולכן מעבר החום אל מחוץ לכלי המים החמים מהיר יותר. הסעת החום תלויה במידה רבה גם במבנה המקרר המשפיע על תנועת האוויר בתוכו. גורם חיצוני נוסף המשפיע על הסעת חום הוא קרח המצטבר במקרר. הקרח מבודד בין תחתית הכלי לרצפת המקרר ומפחית את הסעת החום. כלי המכיל מים חמים ממס את הקרח ומבטל את השפעת הבידוד שלו. לגורם זה השפעה בניסויים ביתיים בלבד שכן בניסויים בתנאי מעבדה בדרך כלל משתמשים במשטחים מבודדים להניח עליהם את כלי המים. גזים מומסים - חימום מים מקטין את כמות הגזים המומסים בתוכם ושינוי בכמות הגזים משנה את תכונות המים. ישנם ניסויים המצביעים על קשר בין הגזים המומסים במים לאפקט מפמבה ואחרים המצביעים על העדרו של קשר כזה. קירור יתר - ייתכן שקירור יתר משמש גורם משפיע על אפקט מפמבה. בכמה ניסויים נמצא שהמים הקרים מגיעים לקירור יתר (טמפרטורה נמוכה מטמפרטורת הקפיאה ללא מעבר למצב מוצק) יותר מהמים החמים. לכן ייתכן שהמים החמים קופאים לפני המים הקרים למרות שטמפרטורת המים הקרים נמוכה יותר. הממצאים הללו עומדים בניגוד לממצאים אחרים המצביעים על ירידה באתרי התגרענות במים שחוממו ולכן על הסיכוי שדווקא המים החמים יגיעו לקירור יתר יותר מאשר המים הקרים. התיעוד המוקדם ביותר לאפקט נמצא בספרו של אריסטו "מטאורולוגיה" משנת 350 לפנה"ס לערך. התופעה שבה ומוזכרת בספר "Opus Majus" של רוג'ר בייקון בן המאה ה-13 שאף מציין את רגישות התופעה לתנאי הניסוי, ובספרו של קלגט (Clagett) משנת 1461, וממשיכה להופיע בספריהם של הוגי דעות מרכזיים בני המאה ה-17, פרנסיס בייקון ורנה דקארט. במשך זמן רב בחר המדע המודרני להתייחס בביטול לתיאורים של אפקט מפמבה ולשייכם לתאוריה קדומה ומוטעית (άντιπερίστασὶς; אנטיפריסטזיס). אירוני למצוא התייחסות לתיאורו של פרנסיס בייקון דווקא בספרו משנת 1962 של תומאס קון "המבנה של מהפכות מדעיות", המתאר בין היתר, כיצד תוצאות ניסוי שאינן תואמות את הפרדיגמה המדעית המקובלת, זוכות להתעלמות. קון כותב על "התצפית המוזרה הזאת, [שישנם תיאורים] שהיום פשוט איננו יכולים לאששם". מדיה וקבצים בנושא אפקט מפמבה בוויקישיתוף Monwhea Jeng, Hot water can freeze faster than cold?!?, American Journal of Physics 74 (6): 514. 2005 Mpemba, Erasto B. & Osborne, Denis G., Cool?, Physics Education (Institute of Physics) 4: 172–175 (1969)‎ G. S. Kell, The freezing of hot and cold water. The American Journal of Physics, 37 (5), 564-565 (1969)‎ Erasto B. Mpemba - TEDxDar Speaker "העובדה שקודם לכן המים חוממו תורמת לקפיאתם המהירה: לכן הם מתקררים מוקדם יותר. לפיכך אנשים רבים, כאשר הם רוצים לקרר מים חמים במהירות, מקדימים ומניחים אותם בשמש. כך כאשר תושבי פונטוס חונים על הקרח לשם דיג (הם יוצרים חור בקרח ודגים) הם שופכים מים חמים על הקנים שלהם כדי שיקפאו מהר יותר, שכן הם משתמשים בקרח לקבע את הקנים." (תרגום חופשי מהתרגום לאנגלית של וובסטר). בייקון בספרו Novum Organum: "מים מחוממים במקצת קופאים יותר בקלות מאשר מים קרירים". דקארט בספרו Les Meteores משנת 1637. על פיה איכות של חומר מתגברת כאשר החומר מוקף באיכות הנגדית. ראו הערך Antiperistasis בוויקיפדיה באנגלית תומאס ס. קון, המבנה של מהפיכות מדעיות, הוצאת ידיעות ספרים, 2005, עמ' 53.