آیا می‌دانستید آبِ جوش از آبِ سرد زودتر یخ می‌بندد؟!

فرارو؛ بابک زمانی- مسلما انتطار داریم آب سرد زودتر از آب داغ دچار انجماد شود، ولی تجربه وتحقیق نشان داده عکس این واقعیت صحیح است و آب داغ زودتر از آب سرد منجمد میشود. به این پدیده ی فیزیکی «اثر امپمبا» می گویند.

اثر امپمبا (به انگلیسی Mpemba effect) به پدیده‌ای فیزیکی اطلاق می‌شود که موجب می‌شود آب گرم زودتر از آب سرد یخ بزند. این پدیده به نام اراستو امپمبا (به انگلیسی Erasto Batholomeo Mpemba) متولد ۱۹۵۰، دانش آموز تانزانیایی در سال ۱۹۶۹ نام‌گذاری شده‌است. او مشاهده کرد که در شرایط یکسان آب گرمتر سریع‌تر از آب سرد، منجمد می‌شود. با این وجود چندی گزارش‌ها متضاد این پدیده نیز هستند. اما به‌طور کلی اختلاف نظر بر سر این است که این پدیده در چه شرایطی رخ می‌دهد، اما گزارش چنین پدیده‌ای از زمان گذشته وجود داشته‌است. هر چند که این گزارش‌ها دارای جزئیات کافی برای ادعا کردن نبوده‌اند. تعدادی هم توجیه برای این پدیده پیشنهاد شده‌است.

این اثر بعد‌ها به نام اراستو امپمبا تانزانیایی نامیده شد. او در سال ۱۹۶۳ در کلاس سوم متوسطه زمانی که ۱۳ سال داشت به این پدیده برخورد کرد. او در کلاس درس بستنی‌سازی بازیگوشی کرد بستنی را دیر آماده کرد. به همین خاطر مجبور شد شیر سرد نشده را داخل فریزر قرار دهد. زمانی که معلم بستنی‌ها را از فریزر خارج می‌کرد، امپمبا انتظار داشت که بستنی او شل‌تر از سایرین باشد؛ ولی با کمال تعجب دید بستنی کاملاً یخ بسته و سفت‌تر از سایر بستنی‌ها است. او ماجرای بازیگوشی خود را برای معلم تعریف کرد و آن‌ها این آزمایش را دوباره انجام دادند و با کمال تعجب دیدند که شیر جوشیده زودتر یخ می‌زند. وقتی موضوع به محافل دانشگاهی کشیده شد، جواب‌هایی برای پاسخ به این پدیده بیان شد که یکی پس از دیگری رد شدند. قابل قبول‌ترین نظریه، توصیف این پدیده به کمک چراغ راهنمایی بوده‌است. دو اتومبیل را در نظر بگیرید که یکی جلوتر (ظرف سردتر) و پشت چراغ قرمز ایستاده باشد و دیگری که عقب‌تر (ظرف گرمتر) و در حال نزدیک شدن به چراغ باشد. اگر زمان قرار دادن ظرف‌ها در فریزر همان زمان سبز شدن چراغ باشد، ماشینی که عقب‌تر و در حال حرکت است از ماشین در حال سکون، سبقت خواهد گرفت. در نتیجه آب جوشیده در حال غلیان زودتر از آب سرد ساکن یخ خواهد بست.

 

قابل توجیه به نظر نمی‌رسد که آب ۷۰درجه سانتی گراد سریع‌تر از آب ۲۰درجه دچار انجماد شود به طور مثال اگر آب ۲۰ درجه به ۳۰ دقیقه وقت نیاز داشته باشدتا به دمای انجماد برسد، آب ۷۰ درجه مدت زمان بیشتری نیاز دارد، چون در ابتدا باید زمانی را صرف کند تا از ۷۰ درجه به ۲۰درجه برسد و سپس همان ۳۰ دقیقه را پشت سر بگذارد تا منجمد شود، ولی واقعیت این است که وقتی آب از ۷۰ درجه به۲۰ درجه میرسد دچار تغییراتی می‌شود که پیامد این تغییرات می‌تواند منجر به این شود که زمان انجماد آن کوتاهتر شود. این پدیده، 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.

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 می‌دانید 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 امپمبا 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 نمی‌تواند 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.