گاهی آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند

شاید باور نکنید اما جواب این سوال مثبت است یعنی گاهی آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند.

این پدیده جالب پدیده ای نیست که به تازگی کشف شده باشد بلکه حتی در زمان ارسطو و دکارت این موضوع را می دانستند اما اولین بار توسط یک دانش آموز تانزانیایی به نام Mpemba امپمبا کشف شد و نام این پدیده را امپمبا گذاشتند.

نکته مهم در این باره این است که فقط در دماهای خاص (به اندازه کافی بالا) این پدیده رخ می دهد. دلایل زیادی برای این که چرا ممکن است آب گرم زودتر از آب سرد یخ بزند ذکر کرده اند که در زیر به آن ها اشاره خواهیم کرد اما هنوز دلیل قطعی آن نامشخص است.

با دو ظرف آب شروع می كنیم كه شكل های یكسانی دارند. مقدار آب كاملا مساوی و تنها تفاوت آن ها در درجه حرارت آب آن هاست، هر دوی آن ها را با دقت بسیار زیاد با یک روش خنک  می كنیم. در شرایطی كه اختلاف دمای 2 ظرف آب چیزی حدود 20  تا 30 درجه باشد و دمای هیچكدام خیلی نزدیک به صفر نباشد.

آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند باورش سخت است اما واقعًا دلیل آن چیست؟

وقتی می گوییم یک ظرف آب مثلا 50 درجه سانتیگراد دما دارد، از دمای میانگین آن صحبت می كنیم، یعنی لزوما دمای همه ی مولکول های آن 50 نیست، بلکه در این آب مولکول هایی هم هست که دمای خیلی بیشتر از 50 درجه دارند و هم چنین مولکول هایی هم دمای خیلی پایین تر از 50 درجه، اما میانگین دمای آن ها 50 است و در واقع بیشتر مولکول هایش دمای بالا دارند (چون 50 درجه دمای نسبتا بالاست) بنابراین آبی که از ابتدا دمایش 50 درجه بوده با آبی که با سرد شدن به 50 درجه رسیده از لحاظ میکروسکوپی باهم متفاوت اند.

1. تبخیر

جالب است بدانید که تبخیر برای هر آبی با هر دمایی اتفاق می افتد فقط مقدار این تبخیر به دمای آب بستگی دارد.

هر چه دما بیشتر باشد میزان تبخیر بیشتر است (دلیل این به همان دمای میانگین بر می گردد یعنی در هر آب با هر دمایی مولکول هایی با دمای 100 وجود دارند که تبخیر شوند فقط تعداد این مولکول ها به دمای آب بستگی دارد نموداری که در بالا آمده را با دقت ببینید )

بنابراین هنگام سرد شدن آب گرم ممكن است بخش قابل توجهی از آن بخار شود، پس 2 تأثیر در جریان خنک شدن آب می گذارد:

2. گاز محلول در آب

 آب داغ، گاز كمتری را نسبت به آب سرد می تواند در خود نگه دارد. پس آب گرم اولیه ممكن است گاز كمتری نسبت به آب سرد در خود داشته باشد. این موضوع تأمل برانگیز است. شاید این خاصیت تغییراتی در شكل مولكولی آب دهد. برای مثال شاید جریان همرفت در آب گرم راحت تر انجام شود و آب گرم به طور یكنواخت تری خنک شود، یا شاید بر اثر این پدیده گرمای لازم كه باید از واحد جرم آب گرفته شود تا آب گرم یخ نبندد، نسبت به آن سرد كاهش یابد. بسیاری از آزمایشگران طرفدار این توضیح هستند.

3. جریان های همرفت

 احتمالا هنگامی كه آب سرد می شود جریان های همرفتی گسترش می یابند و دیگر یک توزیع یكنواخت حرارت در حجم آب نخواهیم داشت. در بیشتر دماها چگالی با افزایش حرارت كم می شود و به همین دلیل سطح آب از ته آن گرم تر است. آب گرم چگالی كمتری دارد، پس سبك تر است و روی آب سرد كه سنگین تر است قرار می گیرد.

این پدیده ((اثرسطح داغ)) نامیده می شود. می دانیم كه حرارت آب از سطحش به بیرون منتقل می شود، پس آب با سطح داغ، حرارتش را سریع تر از آن چه انتظار داریم از دست می دهد. وقتی آب گرم اولیه خنک می شود، ممكن است به دلیل جریان های همرفتی یک سطح داغ در آن ایجاد شود، پس سرعت خنک شدن آن از سرعت خنک شدن آب سرد اولیه در دمای میانگین یكسان، بیشتر می شود.

تفاوت نهایی بین سرد كردن آب گرم و آب سرد به خود آب مربوط نمی شود، بلكه به محیط اطراف بستگی دارد، آب گرم ممكن است در محیط اطراف خود تغییراتی ایجاد كند كه در كل روند سرد كردن تأثیر بگذارد.

برای مثال اگر ظرف ها را روی لایه ای از یخ بگذاریم، تمام دور سطح تماس جامد با جامد است. ولی آب گرم تر می تواند یك لایه از یخ زیر خود را ذوب كند و در حقیقت در آب صفر درجه حاصل، غوطه ور شود و تماس بهتری با سطح خنک كننده برقرار كند. پس انتقال حرارت راحت تری صورت می گیرد. البته این توجیه خوبی نیست، چون دقیقا به همین دلیل آزمایشگران ازاین روش كمتر برای خنک كردن استفاده می كنند.

 5. فوق انجماد (تاخیر در انجماد)

این پدیده زمانی رخ می دهد كه به دلایلی آب در صفر درجه سانتی گراد یخ نبندد بلكه در دمای پایین تر شروع به یخ زدن می كند این بدان خاطر است كه مولكول های آب در صفردرجه هنوز نظم لازم برای ایجاد شبكه بلوری خاص در یخ را پیدا نكرده اند. نمودار زیر نشان می دهد که نقطه انجماد کمی جابه جا شده است (نقطه انجماد یعنی همان نقطه مینیمم نمودار از منحنی قرمز به آبی تغییر کرده است)

مرکز یادگیری تبیان - تهیه و تنظیم: فاطمه گودرزی