اثر امپمبا

اثر امپمبا چیست ؟

چرا آب داغ زودتر از آب سرد یخ می زند ؟

مسلما انتظار داریم آب سرد زودتر از آب داغ دچار انجماد شود ولی تجربه وتحقیق نشان داده عکس این واقعیت صحیح است و آب داغ زودتراز آب سرد منجمد میشود.
قابل توجیه به نظر نمی رسد که آب ۷۰درجه سانتی گراد سریع تر 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 می شود که پیامد این تغییرات می تواند 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.
چرا به این پدیده یعنی زودتر منجمد شدن آب داغ پدیده امپمبا می گویند ؟
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، پدیده امپمبا به کلی فراموش شد، اما ۵۰۰ سال بعد از آزمایش مارلیانی و بیشتر از ۲ هزار سال 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 سرد نشده را مستقیما داخل یخچال می‌گذارد. به علاوه امپمبا متوجه شد که همه بستنی‌ فروشهای 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 امپمبا 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 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.

۵- دکتر چانگکینگ و دکتر زانگ از دانشگاه نانیانگ سنگاپور می گویند که برهمکنش بین پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای قوی تری که اتم های اکسیژن و هیدروژن را در یک مولکول در کنار هم نگه می دارد و به عنوان پیوند کووالانسی شناخته می شود، سبب این اثر می شود.در حالت طبیعی وقتی مایعی گرم می شود، پیوندهای کووالانسی بین اتم ها کشیده می شوند و انرژی ذخیره می کنند. به ادعای این محققان، پیوندهای هیدروژنی اثری غیرعادی در آب تولید می کنند که منجر به این می شود که وقتی که آب گرم شود، پیوندهای کووالانسی کوتاه تر شوند و انرژی ذخیره کنند. این مسئله منجر به این می شود که انرژی آزاد شده این پیوندها، در قیاس با انرژی اولیه حالت یخ زده در فریزر، شاهد افزایشی به صورت نمایی باشد. بنابراین آب گرم انرژی بیشتری را سریع تر از آب سرد از دست می دهد.

دکتر چانگکینگ می گوید: گرم کردن، انرژی را بوسیله کوتاه کردن و محکم کردن پیوند کووالانسی ذخیره می کند. پیوند هیدروژن و اکسیژن که در یک فریزر سرد شده باشد انرژی اش را با سرعتی که به طور نمایی به انرژی ذخیره شده اولیه بستگی دارد، رها می کند و بنابراین اثر امپمبا اتفاق می افتد.

دکتر دنیس آزبورن استاد دانشگاه دارالسلام تانزانیا، که نویسنده دیگر مقاله مشهور امپمبا در سال ۱۹۶۹/۱۳۴۸ بود، در مورد این ادعای جدید می گوید: چندین مکانیزم مختلف ممکن است در ایجاد اثر امپمبا دخیل باشند. آنچه نویسندگان این مقاله توصیف می کنند به عنوان یک خاصیت پیوند هیدروژن و اکسیژن ممکن است تنها یکی از این عوامل باشد.

این اثر همچنین می تواند کاربردهای واقعی در این دنیا داشته باشد، مانند اشتباه بودن استفاده از آب جوش برای یخ زدایی شیشه اتومبیل در یک روز سرد زمستانی و یا زودتر یخ زدن لوله های آب گرم نسبت به لوله های آب سرد.

در همین راستا ویدیوی زیر را مشاهده کنید : در این ویدیو مشاهده می کنید که چگونه آب داغ در دمای منفی ۴۱ درجه در هوا به چه سرعتی یخ می زند .