آب گرم زودتر یخ میزند یا آب سرد؟
مسلما انتطار داریم آب سرد زودتر از آب داغ دچار انجماد شود ولی تجربه وتحقیق نشان داده عکس این واقیت صحیح است و آب داغ زودتراز آب سرد منجمد میشود.
قابل توجیه به نظر نمی رسد که آب 70درجه سانتی گراد سریع تر از آب 20درجه دچار انجماد شود به طور مثال اگر آب 20 درجه به 30 دقیقه وقت نیاز داشته باشدتا به دمای انجماد برسد ، آب 70 درجه مدت زمان بیشتری نیاز دارد چون در ابتدا باید زمانی را صرف کند تا از 70 درجه به 20درجه برسد و سپس همان 30 دقیقه را پشت سر بگذارد تا منجمد شود ولی واقعیت این است که وقتی آب از 70 درجه به20 درجه میرسد دچار تغییراتی می شود که پیامد این تغییرات می تواند منجر به این شود که زمان انجماد آن کوتاهتر شود. اين پديده، اثر امپمبا Mpemba effect نام دارد.
چنین پدیده‌ای، متناقض است، طی آزمایشات زیادی چنین چیزی مشاهده و ثبت شده است. در واقع قرن‌هاست که دانشمندان متوجه این پدیده شده‌اند و دانشمندانی مثل ارسطو، بیکن و دکارت، سال‌ها و قرن‌ها پیش آن را توصیف کرده‌اند.
ولی تا سال ۱۹۶۹، یعنی زمانی که یک دانش‌آموز دبیرستانی تانزانیایی، به صورت تصادفی متوجه آن شد، این پدیده توسط دانش مدرن امروزی‌مان مورد بررسی قرار نگرفته بود.
به پدیده زودتر یخ زدن آب گرم نسبت به آب سرد، البته تحت شرایطی خاص اثر امپمبا Mpemba effect گفته میشود.
نخستین بار ارسطو ۳۰۰ سال قبل از میلاد مسیح متوجه این پدیده شد. دانشمندان قرون وسطی، زمانی که می‌خواستند تئوری گرما را تبیین کنند، متوجه این پدیده شدند. در سال ۱۴۶۱، فیزیکدانی به نام جیووانی مارلیانی، ۴ اونس آب حرات‌دیده و آب معمولی را برای یخ زدن در بیرون قرار داد و در کمال تعجب مشاهده کرد که آب گرمتر، زودتر یخ بسته است، اما نتوانست توجیهی برای این مشاهده خود پیدا کند.
اما زمانی که تئوری مدرن گرما، توسط دانشمندان مختلف تبیین شد،پیده امپمبا به کلی فراموش شد، اما ۵۰۰ سال بعد از آزمایش مارلیانی و بیشتر از ۲ هزاره بعد از ارسطو، این پدیده بار دیگر به صورت اتفاقی مشاهده شد.
این بار یک دانش‌آموز دبیرستانی تانزانیایی متوجه قضیه شد، داستان مشاهده او در مجله علمی نیوساینتیست به چاپ رسید.
در سال ۱۹۶۳، این دانش‌آموز که امپمبا نام داشت، به همراه دانش‌آموزهای دیگر برای مراسمی تدارک دیده بودند و می‌خواستند بستنی درست کنند. برای درست کردن بستنی همانطور که می دانید شیر جوشیده شده‌ای که به آن شکر اضافه شده،باید یخ بزند. امپمبا هم منتظر بود که ظرف شیر و شکرش سرد شود تا بتواند آن را داخل یخچال بگذارد. اما او عجله داشت و از طرفی می‌دید که اگر زود نجنبد، دانش‌آموزهای دیگر زودتر از او ظرف هایشان را در یخچال می‌گذارند و جایی برای ظرف او باقی نمی‌ماند، به همین علت ظرف سرد نشده‌اش را در یخچال گذاشت. اما او در کمال تعجب مشاهده کرد، که زودتر از دانش‌آموزهای دیگر که ظرف شیر و شکر سرد را در یخچال گذاشته بودند، موفق به تهیه بستنی شده است.
دبیر فیزیک او هم در کلاس بود، امپمبا که تعجب کرده بود، در این مورد از دبیرش پرسید، اما دبیر فیزیک او گفت که او ممکن است اشتباهی کرده باشد.
امپمبا اول کنجکاوی بیشتر نکرد و با همین توضیح قانع شد، اما مدتی بعد از یکی از دوستانش که در شهر تانگا بستنی‌فروشی می‌کرد، شنید که او برای اینکه زودتر موفق به تهیه بستنی شود، ظرف سردنشده را مستقیما داخل یخچال می‌گذارد. به علاوه امپمبا متوجه شد که همه بستنی‌فروشهای تانگا، همین کار دوستش را می‌کنند.
مدتی بعد در دبیرستان، امپمبا سؤالش را مطرح کرد، اما معلمش حاضر به قبول آن نشد و به شوخی گفت که این چینن چیزی را فقط فیزیک امپمیا می‌گوید و نمی‌توان نشانی از آن در دانش فیزیک جهانی پیدا کرد. اما امپمبا مجددا در آزمایشگاه زیست‌شناسی، این پدیده را با استفاده از ظرف آب گرم و سرد تکرار کرد و دوباره به همان نتیجه سابق رسید.
مدتی بعد یک استاد فیزیک به نام دکتر آزبورن از دبیرستان امپمبا بازید کرد، امپمبا از فرصت استفاده کرد و از دکتر آزبورن هم در مورد این پدیده پرسید. آزبورن توجهی نداشت ولی به امپمبا قول داد، این مورد را بررسی کند. آزبورن از یک تکنسین آزمایشگاه خواست که این پدیده را امتحان کند، او هم به همان نتیجه امپمبا رسید. سرانجام در سال ۱۹۶۹، مشاهدات امپمیا و دکتر ازبورن به چاپ رسید و پدیده زودتر یخ زدن آب گرم، به اثر امپمبا، موسوم شد.
شرایطی که تحت آن پدیده امپمبا را میتوان مشاهده کرد، بسیار خاص هستند، شکل یخچال یا منبع سردکننده، شکل ظرف، ناخالصی و میزان گاز موجود در آب، همه در رخ دادن اثر امپمبا مؤثر هستند.
به عبارت بهتر دلیل واحدی برای پدیده ممبا وجود ندارد و عوامل مختلفی در ایجاد این پدیده موثر هستند این دلایل عبارتند از :
۱- تبخیر:
فرض کنید، دو ظرف حای آب ۷۰ درجه و آب ۳۰ درجه داریم و آنها را سرد می‌کنیم. هنگامی که آب گرمتر سرد میشود، مقداری از حجم آن تبخیر میشود، این مقدار حجم تبخیر شده آب از ۲ راه باعث تسهیل یخ زدن آب گرمتر میشود:
الف – مقدار جرم آب گرمتر را کم می‌کند.
ب- برای تبخیر نیاز به مقداری گرما است، آب تبخیر شده این گرما را از آب مایع می‌گیرد.
البته بدیهی است که تبخیر، به تنهایی نمی تواند اثر امپمبا را توجیه کند.
۲- گازهای حل شده در آب:
هر چقدر آب گرمتر باشد، میزان گاز حل شده کمتری در خود دارد، بنابراین جریانهای همرفتی در آن تسهیل میشود و آب به صورت یکنواخت‌تری خنک میشود. به علاوه آبی که گاز کمتری دارد، نیار به از دست مقدار کمتری گرما برای تبدیل شدن به یخ دارد.
۳- اثر سطح داغ:
وقتی آب گرمتر سرد میشود، جریانهای همرفتی در آن به وجود می‌آید و توزیع گرما در آن به صورت یکنواخت نخواهد بود. چینن چیزی باعث میشود که یک لایه آب گرم در بالای لایه آب سرد در آن ایجاد شود. به این پدیده اثر سطح داغ می‌گویند. این دو لایه‌ای شدن آب گرمتر، باعث میشود که سرعت خنک شدن آن نسبت به آب در ابتدا سردتر، بیشتر شود.
۴- اثر بر محیط اطراف:
محیط اطراف ظرف‌های حاوی آب گرم و آب سردتر، هم بر یخ زدن آب‌ها اثر می‌گذارد. مثلا اگر آب گرم و سرد، هر دو روی لایه‌ای از یخ در یخچال قرار داده شوند، آب گرمتر ممکن است، در ابتدا باعث ذوب شدن مقداری یخ شود و در یخ فرو رود و در نتیجه شرایط بهتری برای یخ زدن پیدا کند.
در زير به توضيح بيشتر اين عوامل مي پردازيم:
تبخیر :
وقتی آب داغ بتدریج سرد می شود بخشی از آب به شکل بخار خارج می شود و جرم آب کاهش می یابد . کاهش جرم آب سبب می شود آب باقی مانده با از دست دادن گرمای کمتری منجمد شود و فرآیند انجماد تسریع شود اگرچه فرآیند تبخیر و کاهش جرم آب یکی از عوامل مهم در ایجاد پدیده ممباست ولی تنها عامل نیست بطوریکه حتی با حذف تبخیر هم پدیده ممبا مشاهده میشود به عبارت بهتر اگر آب داغ را در یک طزف دربسته ریخته و مانع از تبخیر و کاهش جرم شویم باز هم آب داغ سریع تراز آب سرد منجمد میشود . پس علاوه بر تبخیر عوامل دیگری هم در این مورد تاثیر گذار هستند
خروج گازهای حل شده از آب :
می دانیم که انحلال پذیری گازها با افزایش دما کاهش می یابد و نیز میدانیم که وجود ذراتحل شونده در یک حلال موجب کاهش دمای انجماد میشود . بنابراین می توان پذیرفت آب سرد حاوی میزان بیشتری از گازهای محلول بوده پس دمای انجماد پائین تری دارد و فرایند انجماد آن کند تر اتفاق میافتد . ولی این هم باز به تنهائی برای توجیه پدیده ممبا کفایت نمی کند زیرا اگر یک مقدار آب را به دقت جوشانیم تا گازهای محلول درآن کاملا خارج شود بعدآن را تا دمای 20درجه سرد کنیم و یک گاز جوشیده بدون گاز را در شرایط دمائی 70درجه نگهداریم باز هم آب 70درجه سانتی گراد زودتر منجمد میشود
تاثیر محیط :
آب داغ ممکن است محیط اطراف خود را دچار چنان تغییراتی کتد که پس از آن انجماد سریع تر اتفاق بیفتد مثلا وقتی ظرف حاوی آب داغ را برروی برفک یخچال قرار میدهیم برفک یخچال ذوب میشود در این صورت آب گرم تماس بهتری با دستگاه سردکننده خواهد داشت ولی اگر چه این عامل هم میتواند تاثیرگذارباشد ولی به تنهائی نمی تواند پدیده ممبا را توجیه کند چون حتی وقتی هردو ظرف برروی یک سطح عایق قرار داده شوند بطوریکه ذوب برفک یخچال اتفاق نیفتدباز هم پدیده ممبا دیده میشود
ابر سرد شدن :
ابر سرد شدن نیز به عنوان یکی از دلایل ایجادپدیده ممبا مطرح شده است . منظور از ابر سرد سدن این است که آب در دمائی پایین تراز صفر درجه منجمدشود.دردمای صفر درجه مولکولهای آ ب میخواهند به شکل بلور یخ ساختار منظمی بگیرند یعنی حرکات کاتوره ای خود را به عنوان یک مایع از دست می دهند ولی گاهی اوقات ذرات آبی که تاحد صفر درجه سرد شده اند هیچ بهم پیوستگی نمی بینند بنابراین آب تادمائی زیر صفر درجه بدون یخ زدن سرد میشودآزمایشات نشان می دهد آبی که درآغاز گرمتر بوده تنها تا 2 درجه ابر سرد می شود در حالی که آبی که از آغاز سردتر بوده تا 8 درجه ابر سرد می گردد بنابراین آب سرد دیرتر منجمد می شود .البته درستی فرایند ابر سرد شدن هنوز کاملا تائید نشده است ولی حتی در صورت تائید نمی تواند توجیه خوبی برای پدیده ممبا باشد چون به جای آنکه معما ، معمای دیگری قرار میدهد چرا باید آبیکه درایتدا گرمتر بوده بیشتر از آبی که درآغاز سردتربوده ابر سرد شود ؟البته یک پاسخ برای این سوال این است که چون آب سرد حل شوند گازی شکل بیشتری دارد دمای انجماد آن کمتر است . ولی چنانچه در بخش گازهای حل شده گفته شد حتی در صورت خروج کامل گازهای محلول باز هم پدیده ممبا اتفاق می افتد
همرفت :
توجیه دیگری برای پدیده ممبا توجه به این واقیت است که دمای آب غیر یکنواخت میشود و همچنانکه آب سرد میشود گرادیان های دما و جریان های همرفت افزایشمی یابند . با افزایش دما چگالی آب کاهش می یابد بنابراین پس از گذشت زمان ، همچنانکه آب سرد می شود برروی سطح آب یک سطح داغ فوقانی ایجاد می شود یعنی دمای آب در سطح بشتر از دمای متوسط آب درکف ظرف خواهد بود . اگر آب دمای خود را اساسا از سطح از دست بدهد این به آن معنی است که آب گرمارا سریع تر از حالتی از دست می دهد که با در نظر گرفتن دمای متوسطش ازآن انتظار میرفت . به عبارت بهتر برای هر دمائی هرچه توزیع دمائی آب غیر یکنواخت تر باشد اتلاف گرما بیشتر است در واقع آبی که داغ تر است به سرعت دچار کاهش دما می شود و موجب ایجاد جریانهای همرفتی می گردد .برقراری این جریانهای همرفتی سبب میشود که دمای آب از بالا تاپائین بشدت دچار تغییر شود ولی آبی که دمای کمی دارد آهسته تر سرد می شود پس سرعت ایجاد جریان های همرفتی هم در آن کمتر است ودیرتر دچار کاهش دما می شوددر یک مثال واقعی میتوان فرض کرد آب گرم تر ، از دمای 70 درجه وآب سردتر از دمای 30 درجه آغاز کند . وقتی دمای متوسط آب 30درجه است همه جای آن به طور یکنواخت 30درجه دارد درحالیکه وقتی آب گرم به دمای متوسط 30درجه می رسد سطح آن دمایی بسیار بیشتر از 30درجه دارد بنابراین گرما را سریعتر از آبی ازدست می دهد که در همان دمای متوسط قرار داردبه نظر میرسد جریان های همرفتی میتواند به تنهائی پدیده ممبا را توجیه کند ولی این مشروط به آن است که بتوانیم یک مدل نظری برای جریانهای همرفتی داشته باشیم ولی چنین مدلی هنوز بدست نیامده است.