شايد باور نکنيد اما جواب اين سوال مثبت است يعني گاهي آب گرم زودتر از آب سرد يخ مي زند.
اين پديده جالب پديده اي نيست که به تازگي کشف شده باشد بلکه حتي در زمان ارسطو و دکارت اين موضوع را مي دانستند اما اولين بار توسط يک دانش آموز تانزانيايي به نام Mpemba امپمبا کشف شد و نام اين پديده را امپمبا گذاشتند.
نکته مهم در اين باره اين است که فقط در دماهاي خاص (به اندازه کافي بالا) اين پديده رخ مي دهد. دلايل زيادي براي اين که چرا ممکن است آب گرم زودتر از آب سرد يخ بزند ذکر کرده اند که در زير به آن ها اشاره خواهيم کرد اما هنوز دليل قطعي آن نامشخص است.
با دو ظرف آب شروع مي کنيم که شکل هاي يکساني دارند. مقدار آب کاملا مساوي و تنها تفاوت آن ها در درجه حرارت آب آن هاست، هر دوي آن ها را با دقت بسيار زياد با يک روش خنک مي کنيم. در شرايطي که اختلاف دماي 2 ظرف آب چيزي حدود 20 تا 30 درجه باشد و دماي هيچکدام خيلي نزديک به صفر نباشد.
آب گرم زودتر از آب سرد يخ مي زند باورش سخت است اما واقعًا دليل آن چيست؟
وقتي مي گوييم يک ظرف آب مثلا 50 درجه سانتيگراد دما دارد، از دماي ميانگين آن صحبت مي کنيم، يعني لزوما دماي همه ي مولکول هاي آن 50 نيست، بلکه در اين آب مولکول هايي هم هست که دماي خيلي بيشتر از 50 درجه دارند و هم چنين مولکول هايي هم دماي خيلي پايين تر از 50 درجه، اما ميانگين دماي آن ها 50 است و در واقع بيشتر مولکول هايش دماي بالا دارند (چون 50 درجه دماي نسبتا بالاست) بنابراين آبي که از ابتدا دمايش 50 درجه بوده با آبي که با سرد شدن به 50 درجه رسيده از لحاظ ميکروسکوپي باهم متفاوت اند.
 |
1. تبخير
جالب است بدانيد که تبخير براي هر آبي با هر دمايي اتفاق مي افتد فقط مقدار اين تبخير به دماي آب بستگي دارد.
هر چه دما بيشتر باشد ميزان تبخير بيشتر است (دليل اين به همان دماي ميانگين بر مي گردد يعني در هر آب با هر دمايي مولکول هايي با دماي 100 وجود دارند که تبخير شوند فقط تعداد اين مولکول ها به دماي آب بستگي دارد نموداري که در بالا آمده را با دقت ببينيد )
بنابراين هنگام سرد شدن آب گرم ممکن است بخش قابل توجهي از آن بخار شود، پس 2 تأثير در جريان خنک شدن آب مي گذارد:
2. گاز محلول در آب
آب داغ، گاز کمتري را نسبت به آب سرد مي تواند در خود نگه دارد. پس آب گرم اوليه ممکن است گاز کمتري نسبت به آب سرد در خود داشته باشد. اين موضوع تأمل برانگيز است. شايد اين خاصيت تغييراتي در شکل مولکولي آب دهد. براي مثال شايد جريان همرفت در آب گرم راحت تر انجام شود و آب گرم به طور يکنواخت تري خنک شود، يا شايد بر اثر اين پديده گرماي لازم که بايد از واحد جرم آب گرفته شود تا آب گرم يخ نبندد، نسبت به آن سرد کاهش يابد. بسياري از آزمايشگران طرفدار اين توضيح هستند.
3. جريان هاي همرفت
احتمالا هنگامي که آب سرد مي شود جريان هاي همرفتي گسترش مي يابند و ديگر يک توزيع يکنواخت حرارت در حجم آب نخواهيم داشت. در بيشتر دماها چگالي با افزايش حرارت کم مي شود و به همين دليل سطح آب از ته آن گرم تر است. آب گرم چگالي کمتري دارد، پس سبک تر است و روي آب سرد که سنگين تر است قرار مي گيرد.
اين پديده ((اثرسطح داغ)) ناميده مي شود. مي دانيم که حرارت آب از سطحش به بيرون منتقل مي شود، پس آب با سطح داغ، حرارتش را سريع تر از آن چه انتظار داريم از دست مي دهد. وقتي آب گرم اوليه خنک مي شود، ممکن است به دليل جريان هاي همرفتي يک سطح داغ در آن ايجاد شود، پس سرعت خنک شدن آن از سرعت خنک شدن آب سرد اوليه در دماي ميانگين يکسان، بيشتر مي شود.
تفاوت نهايي بين سرد کردن آب گرم و آب سرد به خود آب مربوط نمي شود، بلکه به محيط اطراف بستگي دارد، آب گرم ممکن است در محيط اطراف خود تغييراتي ايجاد کند که در کل روند سرد کردن تأثير بگذارد.
براي مثال اگر ظرف ها را روي لايه اي از يخ بگذاريم، تمام دور سطح تماس جامد با جامد است. ولي آب گرم تر مي تواند يک لايه از يخ زير خود را ذوب کند و در حقيقت در آب صفر درجه حاصل، غوطه ور شود و تماس بهتري با سطح خنک کننده برقرار کند. پس انتقال حرارت راحت تري صورت مي گيرد. البته اين توجيه خوبي نيست، چون دقيقا به همين دليل آزمايشگران ازاين روش کمتر براي خنک کردن استفاده مي کنند.
5. فوق انجماد (تاخير در انجماد)
اين پديده زماني رخ مي دهد که به دلايلي آب در صفر درجه سانتي گراد يخ نبندد بلکه در دماي پايين تر شروع به يخ زدن مي کند اين بدان خاطر است که مولکول هاي آب در صفردرجه هنوز نظم لازم براي ايجاد شبکه بلوري خاص در يخ را پيدا نکرده اند. نمودار زير نشان مي دهد که نقطه انجماد کمي جابه جا شده است (نقطه انجماد يعني همان نقطه مينيمم نمودار از منحني قرمز به آبي تغيير کرده است)
