قضیه چیه ؟ چرا آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند؟

زمستان امسال خیلی سرد نبود و متاسفانه نتوانستیم طعم یک زمستان واقعی را بچشیم. چندی پیش در ساختنی یک پست با عنوان ” این زمستان بجای برف بازی چند آزمایش علمی را امتحان کنید” منتشر شد اما زمستان امسال برای امتحان برخی از این آزمایش ها مناسب نبود. یکی از آزمایش های این پست منجمد کردن آب داغ در یک چشم بر هم زدن بود که قصد داریم در این پست از سری قضیه چیه درباره رازهای پشت این آزمایش علمی بیشتر با شما صحبت کنیم.

اگر تابحال این آزمایش علمی را تجربه کرده باشید حتماً از آن خیلی لذت برده اید. در این آزمایش هوا به قدری سرد است که به محض پرتاب آب داغ در هوا، قطرات آب یخ می زنند. یخ زدن بلافاصله و آنی آب داغ خیلی هیجان انگیزتر از یخ زدن آب سرد در هوای سرد است. اما چرا این اتفاق می افتد؟ قضیه چیه که آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند؟ با خواندن این پست جواب این سوال را می فهمید.

بخشی از این اتفاق صرف نظر از درجه حرارت آب، به این حقیقت بر می گردد که با پرتاب آب در هوا سطح بیشتری از آن در معرض سرما قرار می گیرد و باعث می شود زودتر یخ بزند.
اما این تنها دلیلی نیست که باعث می شود این اتفاق عجیب بیفتد؛ خود آب گرم هم ویژگی هایی دارد که باعث می شود زودتر از آب سرد یخ بزند. معمولاً نقش خود آب گرم در این اتفاق کمتر مورد توجه قرار می گیرد اما اهمیت زیادی دارد.

این پدیده متضاد قسمتی از یک راز 2000 ساله است که در طول تاریخ دانشمندانی مثل ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت به آن توجه کرده است. نام مدرن و جدید این پدیده علمی اثر امپمبا است که به اسم یک دانش آموز تانزانیایی که یک آزمایش جالب انجام داد، برمی گردد. این دانش آموز در سال 1963مشغول حل کردن شکر در شیر داغ بود تا بستنی درست کند. قانون آشپزی این است که قبل از کره گیری، شیر را سرد کرد اما این دانش آموز صبر نکرد و منتظر سرد شدن شیر نشد. نتیجه بی تابی این دانش آموز این شد که بستنی او خیلی زودتر از بستنی هم کلاسی هایش منجمد شد و شکل گرفت. این را هم بگوییم که معلم این کلاس حرف دانش آموزان را باور نکرد.

چندی بعد یک متخصص علم فیزیک به این کلاس آمد و امپمبا از او پرسید امکان دارد یک مایع گرم زودتر از یک مایع سرد یخ بزند. این متخصص فیزیک هم تجربه عجیب این دانش آموز را باور نکرد اما تصمیم گرفت یک آزمایش در کلاس اجرا کند. دو لیوان آب سرد و گرم را بصورت همزمان در فریزر قرار دادند و متوجه شدند آب گرم زودتر یخ می زند. جالب است بدانید همه این اتفاقات تبدیل به یک مقاله علمی شد و در سال 1969 منتشر شد. از آن سال به بعد، این مقاله چندین بار بازنشر و بازنویسی شد اما آنقدر که باید به تاثیر درجه حرارت نسبی دو مایع توجه نشد.

اثر امپمبا چطور کار می کند؟

چه چیزی باعث می شود اثر امپمبا اینقدر عجیب باشد و این اثر چطور کار می کند؟ در طول سالیان متمادی، دانشمندان جواب های مختلفی به این سوال داده اند. با این حال هیچ یک از آنها به اندازه کافی قانع کننده نبوده اند.

برای توضیح این پدیده از ساده ترین و سر راست ترین توضیح شروع می کنیم. آب گرم بیشتر از آب سرد بخار می کند. با سرد شدن آب در حال جوش، مقدار کمی از حجم آن تبدیل به بخار می شود و در اطراف پخش می شود. خیلی ساده است؛ آب گرم به این خاطر زودتر از آب سرد یخ می زند که مقدار کمتری از آن به یخ تبدیل می شود. اگر تابحال بازی هاکی و سر خوردن بازیکنان روی یخ را دیده باشید، احتمالاً متوجه شده اید که قبل از بازی روی پیست آب گرم می ریزند تا از این اثر استفاده کنند و بازی را برای بازیکنان راحت تر کنند.

این توضیح قانع کننده است؟ نه کاملاً . محاسبات دقیق نشان داده است که قسمتی از اثر امپمبا به تبخیر مربوط می شود و به همین خاطر نمی توان تبخیر قسمتی از آب را تنها مکانیزم عمل این پدیده دانست. خود امپمبا مقدار حجم آب بخار شده در طول آزمایش اصلی را اندازه گرفت و متوجه شد که این میزان برای تبیین خروجی این پدیده کافی نیست. ایده های دیگری برای تبیین این پدیده ارائه شده است؛ مثلاً تغییر نقطه انجماد آب در اثر حل شدن گازها در آن یا تاثیر محیط اطراف آب روی نتیجه این پدیده . اما بیشتر این توضیح ها فقط در موارد محدودی صدق می کنند و نمی توان آنها را به همه موارد تعمیم داد.

در اکتبر سال میلادی جاری یک تلاش جالب برای تبیین این پدیده انجام شد؛ بررسی های یک تیم تحقیقاتی نشان داده است که پیچیدگی های این پدیده در ترکیبشیمیایی نامرتب آب نهفته است. همانطور که می دانید آب از یک اتم اکسیژن که با پیوند کووالانسی به دو اتم هیدروژن پیوند خورده است، ساخته می شود ( در پیوند کووالانسی اتم ها یک الکترون را با هم به اشتراک میگذارند). چون اکسیژن بیشتر الکترونگاتیو است، خیلی محکمتر از هیدروژن به مولکولی که الکترون هایش را به اشتراک گذاشته می چسبد. این نزدیکی یک باز مثبت جزیی در گوش های گرد مولکول آب ایجاد می کند. خود اکسیژن هم از این نزدیکی یک باز منفی جزیی می گیرد. هیدروژن های مثبت یک مولکول به اکسیژن های منفی مولکول دیگرجذب می شوند و در نتیجه بین مولکول های مختلف آب زنجیره های هیدروژنی شکل می گیرد.

زنجیره های هیدروژنی دلیل بسیاری از رفتارها و خواص عجیب آب هستند که یکی از آن کاهش جرم آب در حالت منجمد است. یکی دیگر از خواص عجیب آب که زنجیره های هیدروژنی به خوبی آن را تبیین می کنند، اثر امپمبا است. با افزایش دما، مولکول های آب بصورت طبیعی کمی از هم فاصله می گیرند و در نتیجه طول زنجیره های هیدروژنی افزایش می یابد. چون آب در یک حجم محدود قرار دارد، افزایش طول زنجیره های هیدروژنی به پیوند کووالانسی بین هیدروژن و اکسیژن مولکول ها فشار می آورد و باعث می شود این پیوند ها بشکنند و مثل یک فنر فشرده شوند. افزایش دما باعث سفت شدن این فنر می شود. با رسیدن آب به دمای جوش، فنر پیوند کووالانسی به بیشترین میزان فشردگی می رسد و میزان انرژی بیشتری را ذخیره می کند. اگر آب را در این حالت منجمد کنید، این فنر رها می شود و انرژی آزاد می شود؛ هر چیزی هم که انرژی اش را از دست بدهد، سرد می شود.

یک فنر کاملاً فشرده خیلی زودتر از فنری که فشار کمتری به آن وارد شده است، آزاد می شود. همین قانون درباره پیوند کووالانسی هم صادق است؛ پیوند کووالانسی آب در حال جوش انرژی اش را زودتر از آب ولرم یا سرد آزاد می کند. این توضیح در بین سایر توضیح های ارائه شده برای اثر امپمبا کامل تر است. حالا مشخص شد که قضیه چیه و چرا آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند.

این مقاله در یک نشریه مقالات مروری منتشر شده است و بنظر نمی رسد در جامعه علمی خیلی مورد توجه قرار بگیرد. برخی از محققان همچنان نقش تبخیر را پر رنگ تر می دانند و معتقدند تبخیر عامل اصلی است که منجر به این پدیده عجیب است.

منبع