Co się stanie, gdy wylejemy powiedzmy szklankę wody na mocno rozgrzaną metalową blachę? Np. taką w tradycyjnym piecu. Usłyszymy głośny syk i gwałtowne parowanie. To logiczne i oczekiwane. A teraz proszę na tą samą rozgrzaną blachę wylać wodę w małych ilościach. Np. strzepnąć wodę z mokrej dłoni, albo wypuścić wąski strumień wody ze strzykawki. Można by oczekiwać, że mała ilość wody na gorącej blasze wyparuje szybciej niż duża ilość. A tu niespodzianka. Woda w małych ilościach na gorącej powierzchni nie paruje. Wodne kulki po blasze poruszają się jak pszczoły na łące, bez zauważalnego ładu, to w te, to wewte. Czasami nawet podskakują.

Pułapka na parę

Co się więc dzieje?  Spadająca kropelka wody przy zetknięciu z gorąca blachą zaczyna parować, ale tylko nieznacznie. Paruje dolna część kropli, bo to ona bezpośrednio styka się z gorącą powierzchnią. W ten sposób powstała para tworzy pomiędzy blachą a kroplą coś w rodzaju poduszki. Woda nie styka się już bezpośrednio z blachą, tylko leży na izolującej parowej poduszce. To powoduje, że energia (temperatura) gorącej powierzchni nie jest przekazywana kropli. To niesamowite, bo grubość „parowej poduszki” wynosi znacznie mniej niż milimetr (od 0,1 do 0,2 mm). Jak to się dzieje, że tak cieniutka izolacja wystarczy, że tak mała ilość pary nie dopuści do „przedostania” się energii z gorącej blachy do małej kropelki wody? Gaz (a para wodna jest gazem) jest kiepskim przewodnikiem energii (temperatury). Przekaz energii z blachy przez poduszkę pary do kropli wody następuje, ale bardzo wolno. W końcu wrzucona na rozgrzaną blachę kropla wyparuje (zmniejszając się coraz bardziej, w którymś momencie zniknie) ale nastąpić to może dopiero po kilkudziesięciu sekundach, a nie jak można by się spodziewać – natychmiast. Co więcej, im powierzchnia blachy cieplejsza, tym dłużej trwa taki „kroplowy taniec”. Pozostaje jeszcze wyjaśnienie trzech kwestii. Dlaczego para spod kropli nie ucieknie na boki, dlaczego poduszka parowa nie tworzy się pod dużą ilością chluśniętej na blachę wody i dlaczego kropla na gorącej blasze tak gwałtownie się porusza. Para nie ucieknie bo kropla od spodu nie jest płaska, tylko wklęsła. Więcej pary mieści się w środku, niż na brzegach kropli. Gazowa poduszka powoduje, że pomiędzy rozgrzaną powierzchnią a kroplą nie ma tarcia. Gwałtowne ruchy kropli spowodowane są tym, że dolne warstwy kropli parują nie w sposób ciągły, tylko gwałtowny i nierównomierny ze wszystkich stron. I ostatnia sprawa, chluśnięta na blachę woda wyparuje, ale poduszka parowa wytworzy się tylko pod kropelkami, właśnie dlatego, że one od dołu nie są płaskie i tworzą coś w rodzaju pułapki na parę. Wszystko co dzieje się z kroplą wody na rozgrzanej blasze wyjaśnił w 1756 roku niemiecki lekarz i fizyk Johann Leidenfrost (stąd zjawisko Leidenfrosta).

Raz ciepło, raz zimno

Izolująca warstwa gazu wytwarza się nie tylko pomiędzy rozgrzaną powierzchnią a kroplą wody, tylko pomiędzy obiektami o sporej różnicy temperatur. Przykłady? Wylanie ciekłego azotu czy ciekłego tlenu na powierzchnię stołu w temperaturze pokojowej spowoduje, że te dwie ciecze nie wyparują od razu, tylko „skulkują się” i będą zachowywały się tak jak woda w niewielkich ilościach wylana na gorącą blachę. Ciekły azot ma temperaturę około minus 200 st. C. Teoretycznie włożona do niego dłoń (o temperaturze około + 37 st. C) powinna natychmiast ulec poważnemu odmrożeniu. Tymczasem, o ile rękę w azot wsadzi się na krótko, odmrożeń nie będzie. Dlaczego? Bo pomiędzy skórą a ciekłym azotem wytworzy się cienka warstwa gazowego azotu, który jest swego rodzaju izolacją. Ta izolacja nie jest doskonała, więc dłuższe przytrzymanie dłoni w ciekłym azocie może być niebezpieczne. W Internecie można znaleźć też filmiki na których eksperymentator wkłada palec do naczynia z ciekłym ołowiem. Temperatura tego metalu  w stanie ciekłym wynosi przynajmniej 327 st. C. A temperatura palca około 37 stopni. O ile palec jest mokry, jego włożenie w ołów na krótką chwilę nie będzie groźne. Skóra będzie chroniona przez cieniutką warstwę pary wodnej. To ostatnie doświadczenie nie należy chyba do najbezpieczniejszych, więc lepiej na własną – nomen omen rękę – go nie przeprowadzać.

Lody zawstydziły fizykę

Woda może naprawdę zaskakiwać. Nie tylko nas, ludzi nie zajmujących się nauką, ale nawet naukowców.

Erasto Mpemba, mieszkający w Tanzanii 13latek uwielbiał lody. Podgrzewał mleko, dosypywał cukru, dolewał sok owocowy, wszystko mieszał ze sobą i zamrażał.  By nie zepsuć zamrażarki, najpierw swoją miksturę schładzał w lodówce. Pewnego razu gorące mleko wsadził jednak, bez schładzania, od razu do zamrażarki. Gdy po jakimś czasie otworzył zamrażalnik, okazało się, że lody są już dawno zrobione. „Tak szybko?” – zdziwił się. Zrobił prosty eksperyment. Do dwóch takich samych pojemników wlał gorącą i zimną wodę i obydwa wstawił do zamrażarki. Woda gorąca zamroziła się szybciej. Był rok 1963. Gdy Erasto Mpemba zapytał dlaczego tak się dzieje swojego nauczyciela fizyki, ten go wyśmiał. Ta sama reakcja spotkała go rok później, już jako ucznia liceum. Pewnego dnia do szkoły Erasto przyjechał profesor Denis G. Osborne, fizyk z pobliskiego uniwersytetu. Po jego wykładzie (który dotyczył zupełnie innych zagadnień) Mpemba opowiedział o swoich dobrze już udokumentowanych obserwacjach. Koledzy z klasy zaczęli się śmiać, ale profesor Osborne obiecał sprawę zbadać (choć jak później przyznał nie wierzył licealiście).  Osborne przeprowadził kilka eksperymentów i… potwierdził obserwacje Erasta. W 1969 roku ukazała się profesjonalna praca obydwu panów (ucznia i nauczyciela) opisująca tzw. efekt Mpemby. Woda gorąca rzeczywiście szybciej się zamraża niż woda zimna. Nie pierwszy raz intuicja może wyprowadzić na manowce. Przecież ciepła ciecz, zanim się zamrozi powinna najpierw się schłodzić, podczas gdy ta która jest chłodna tego nie potrzebuje. Jak całą sprawę wytłumaczyć? W przeciwieństwie do opisanego wyżej zjawiska Leidenfrosta, tutaj naprawdę trudno o jednoznaczne wyjaśnienie. Od ukazania się publikacji powstało kilka teorii, ale żadna do końca nie jest satysfakcjonująca. Wiadomo że woda, która się gotowała jest mniej nasycona gazami. Ciecz z mniejszą ilością rozpuszczonych w niej gazów (a więc ta ciepła), zamarza szybciej. W czasie podgrzewania wody wytrącają się też sole mineralne (stąd osad na grzałce czajnika). A te obniżają temperaturę zamarzania. Dlatego zimą posypuje się chodniki i ulice solą. Innymi słowy, chłodna woda zamarza w niższej temperaturze niż ta, która była przegotowana. Do tego wszystkiego niektórzy wyliczają to, że na ściankach naczynia z ciepłą wodą osadza się szron (na ściankach zimnego tylko w śladowych ilościach), a to powoduje, że chłodzenie jest bardziej efektywne. Ciepła woda zacznie więc zamarzać od ścianek (i dna) naczynia, podczas gdy zimna od powierzchni. Ten pierwszy sposób jest znacznie bardziej efektywny. Poza tym ciepła woda paruje, a to w skrócie oznacza szybkie ochładzanie. Dlaczego? Do parowania potrzebna jest energia. Wychodząc z jeziora, wanny czy prysznica odczuwamy zimno tak długo aż nasza skóra się nie wysuszy. Dzieje się tak, bo parująca woda ochładza naszą skórę pobierając z niej energię. No i ostatnia sprawa. W „ciepłym naczyniu” wody do zamarznięcia jest mniej, bo część wyparowała. Woda zimna też paruje, ale bardzo, bardzo wolno.

Wiele pomysłów, ale żaden do końca nie tłumaczy efekt Mpemby. A może każde z tych wytłumaczeń jest w części prawdziwe? Tak czy inaczej nawet w czymś tak powszechnym jak woda, jest jeszcze sporo do odkrycia. I może kiedyś uda się zrozumieć, dlaczego na mrozie rury z ciepłą wodą pękają częściej niż rury z zimną. Dlaczego lodowisko lepiej się robi z ciepłej wody i dlaczego w czasie mrozu mycie samochodu ciepłą wodą szybko prowadzi do popękania lakieru na karoserii.