چرا آب گرم زودتر از آب سرد یخ می بندد

این پدیده یک پدیده فیزیکی باورنکردنی است که واقعًا در یخچال خانه ها اتفاق میافتد.شاید فکر کنید این پدیده ای جدید است، اما بهتر است بدانید که این موضوع را از زمان ارسطو می دانستند وافرادی مانند ارسطو ، بیکن و دکارت مطالعاتی روی آن انجام داده بودند، اما این پدیده تا سال ١٩۶٩ عملا در تحقیقات علم مدرن وارد نشده بود، در این سال دانش آموزان مدرسه ای در تانزانیا نسبت به این پدیده کنجکاو شدند و آزمایش هایی روی آن انجام دادند و نام آن را مپمبا (Mpemba )گذاشتند . چون بسیاری از خوانندگان با شک و تردید به این موضوع نگاه می کنند ، بهتر است دقیقًا مشخص کنیم منظور ما از مپمبا چیست؟

با دو ظرف آب شروع می کنیم که شکل های یکسانی دارند . مقدار آب کاملا مساوی و تنها تفاوت آنها در درجه حرارت آب آنهاست ، هر دوی آنها را با دقت بسیار زیاد با یک روش خنک می کنیم. در شرایطی که اختلاف دمای ٢ ظرف آب چیزی حدود ٢٠ تا ٣٠ درجه باشد و دمای هیچکدام خیلی نزدیک به صفر نباشد . آب گرم زودتر از آب سرد یخ می زند و ما مپمبا را
مشاهده خواهیم کرد ! باورش سخت است اما واقعًا دلیل آن چیست ؟

وقتی میگوییم یک ظرف آب مثلا ٣٠ درجه سانتیگراد دما دارد ، از دمای میانگین آن صحبت می کنیم، یعنی می توان ٢ ظرف آب ٣٠ درجه سانتیگرادی داشت در حالی که خصوصیات بسیار متفاوتی دارند. یکی دمای جداره هایش بسیار سرد و دمای مرکزش بسیار گرم است. در حالی که دیگری دمای تمام نقاطش یکسان است . آب گرمی که تا ٣٠ درجه خنک شده با آبی که از ابتدا ٣٠ درجه بوده ، بسیار متفاوت است ! ممکن است جرمش کم شود ، گازهای محلول در آب کم شود یا حتی ممکن است آب گرم تغییراتی در محیط اطراف خود یا ظرف به وجود آورد. تمامی موارد فوق به طور باور نکردنی مهم هستند و در ادامه به طور جداگانه آنها را توضیح می دهیم .

تبخیر:

هنگام سرد شدن آب گرم ممکن است بخش قابل توجهی از آن بخار شود ، پس ٢ تأثیر در جریان خنک شدن آب می گذارد اول اینکه جرم آب کم می شود . پس خنک شدن آن راحت تر و سریع تر می شود .

دوم اینکه هر مایعی برای تبخیر شدن احتیاج به گرما دارد و این گرما را از محیط اطراف خود می گیرد . در نتیجه آب باقیمانده سردتر می شود .

گاز محلول در آب :

 آب داغ ، گاز کمتری را نسبت به آب سرد می تواند در خود نگه دارد . پس آب گرم اولیه ممکن است گاز کمتری نسبت به آب سرد در خود داشته باشد . این موضوع تأمل برانگیز است . شاید این خاصیت تغییراتی در شکل مولکولی آب ایجاد کند . برای مثال شاید جریان همرفت در آب گرم راحت تر انجام شود و آب گرم به طور یکنواخت تری خنک شود ، یا شاید بر اثر این پدیده گرمای لازم که باید از واحد جرم آب گرفته شود تا آب گرم یخ ببندد ، نسبت به آن سرد کاهش یابد . بسیاری از آزمایشگران طرفدار این توضیح هستند .

 جریان های همرفت :

احتمالا هنگامی که آب سرد می شود جریان های همرفتی گسترش می یابند و دیگر یک توزیع یکنواخت حرارت در حجم آب نخواهیم داشت . در بیشتر دماها چگالی با افزایش حرارت کم می شود و به همین دلیل سطح آب از ته آن گرمتر است . آب گرم چگالی کمتری دارد ، پس سبکتر است و روی آب سرد که سنگین تر است قرار می گیرد. این پدیده ((اثرسطح داغ)) نامیده می شود.
می دانیم که حرارت آب از سطحش به بیرون منتقل می شود ، پس آب با سطح داغ ، حرارتش را سریع تر از آنچه انتظار داریم از دست می دهد . وقتی آب گرم اولیه خنک می شود ، ممکن 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 یکسان ، بیشتر می شود.

محیط :

تفاوت نهایی بین سرد کردن آب گرم و آب سرد به خود آب مربوط نمی شود ، بلکه به محیط اطراف بستگی دارد، آب گرم ممکن است در محیط اطراف خود تغییراتی ایجاد کند که در کل روند سرد کردن تأثیر بگذارد . برای مثال اگر ظرف ها را روی لایه ای از یخ بگذاریم ، تمام دور سطح تماس جامد با جامد است . ولی آب گرمتر می تواند یک لایه از یخ زیر خود را ذوب کند و در حقیقت در آب صفر درجه حاصل ، غوطه ور شود و تماس بهتری با سطح خنک کننده برقرار کند . پس انتقال حرارت راحت تری صورت می گیرد. البته این توجیه خوبی نیست ، چون دقیقا به همین دلیل آزمایشگران از این روش کمتر برای خنک کردن استفاده می کنند.

در مجموع باید گفت در گستره وسیعی از شرایط ممکن است آب گرم زودتر از آب سرد یخ ببندد. این امر غیر ممکن نیست و در بسیاری از آزمایش ها دیده شده است . با وجود این که بعضی از منابع یا افراد هر از مدتی ادعا می کنند که دلیل اصلی این پدیده را فهمیده اند ، هنوز هم هیچ توضیح قابل قبول و ثابت شده ای برای این پدیده وجود ندارد .