كدام يك زودتر يخ مي زند
اثر شرايط خاص بر پديده هاي فيزيكي
http://www.magiran.com/npview.asp?ID=1689339
مترجم: عليرضا مجيدي
به نظر شما آب گرم زودتر يخ مي زند يا آب سرد؟ شايد خيلي از شما فكر كنيد اين سوال بسيار پيش پاافتاده و پاسخ آن بسيار راحت است، اما حقيقت اين است كه شما در پاسخ به اين سوال به احتمال زياد عجله كرده ايد و زود پاسخ قطعي داده ايد: چرا كه آب گرم «تحت شرايطي» زودتر از آب سرد يخ مي زند،
چنين پديده يي متناقض است. طي آزمايش هاي زيادي چنين چيزي مشاهده و ثبت شده است. در واقع قرن هاست كه دانشمندان متوجه اين پديده شده اند و دانشمنداني مثل ارسطو، بيكن و دكارت سال ها و قرن ها پيش آن را توصيف كرده اند.
ولي تا سال 1969 يعني زماني كه يك دانش آموز دبيرستاني تانزانيايي، به صورت تصادفي متوجه آن شد، اين پديده توسط دانش مدرن امروزي مان مورد بررسي قرار نگرفته بود. به پديده زودتر يخ زدن آب گرم نسبت به آب سرد، البته تحت شرايطي خاص «اثر امپمبا» گفته مي شود. نخستين بار ارسطو 300 سال قبل از ميلاد مسيح متوجه اين پديده شد. دانشمندان قرون وسطي زماني كه مي خواستند تئوري گرما را تبيين كنند، متوجه اين پديده شدند. در سال 1461 فيزيكداني به نام «جيوواني مارلياني» چهار اونس آب حرارت ديده و آب معمولي را براي يخ زدن در بيرون قرار داد و در كمال تعجب مشاهده كرد آب گرم تر زودتر يخ بسته است، اما نتوانست توجيهي براي اين مشاهده خود پيدا كند.
زماني كه تئوري مدرن گرما توسط دانشمندان مختلف تبيين شد، پديده «امپمبا» به كلي فراموش شد، اما 500 سال بعد از آزمايش «مارلياني» و بيشتر از دو هزار سال بعد از ارسطو اين پديده بار ديگر به صورت اتفاقي مشاهده شد. اين بار يك دانش آموز دبيرستاني تانزانيايي متوجه قضيه شد و داستان مشاهده او در مجله علمي نيوساينتيست به چاپ رسيد. در سال 1963 اين دانش آموز كه «امپمبا» نام داشت به همراه دانش آموزان ديگر براي مراسمي كه تدارك ديده بودند، مي خواستند بستني درست كنند. براي درست كردن بستني همان طور كه مي دانيد شير جوشيده شده يي كه به آن شكر اضافه شده، بايد يخ بزند. «امپمبا» هم منتظر بود كه ظرف شير و شكرش سرد شود تا بتواند آن را داخل يخچال بگذارد. اما او عجله داشت و از طرفي مي ديد اگر زود نجنبد، دانش آموزهاي ديگر زودتر از او ظرف هايشان را در يخچال مي گذارند و جايي براي ظرف او باقي نمي ماند، به همين علت ظرف سردنشده اش را در يخچال گذاشت. اما او در كمال تعجب مشاهده كرد زودتر از دانش آموزهاي ديگر كه ظرف شير و شكر سرد را در يخچال گذاشته بودند، موفق به تهيه بستني شده است.
«امپمبا» كه تعجب كرده بود، از معلمش در اين مورد پرسيد، اما دبير فيزيك به او گفت ممكن است اشتباهي كرده باشد. «امپمبا» در ابتدا كنجكاوي بيشتري نكرد و با همين توضيح قانع شد، اما مدتي بعد از يكي از دوستانش كه در شهر تانگا بستني فروش بود، شنيد كه او براي اينكه زودتر موفق به تهيه بستني شود، ظرف سردنشده را مستقيماً داخل يخچال مي گذارد. به علاوه «امپمبا» متوجه شد همه بستني فروش هاي تانگا همين كار دوستش را مي كنند. مدتي بعد در دبيرستان، «امپمبا» سوالش را مطرح كرد، اما معلمش حاضر به قبول آن نشد و به شوخي گفت چنين چيزي را فقط فيزيك «امپمبا» مي گويد و نمي توان نشاني از آن در دانش فيزيك جهاني پيدا كرد. اما «امپمبا» مجدداً در آزمايشگاه زيست شناسي اين پديده را با استفاده از ظرف آب گرم و سرد تكرار كرد و دوباره به همان نتيجه سابق رسيد.
مدتي بعد يك استاد فيزيك به نام دكتر «آزبورن» از دبيرستان «امپمبا» بازديد كرد. «امپمبا» از فرصت استفاده كرد و از دكتر «آزبورن» هم در مورد اين پديده پرسيد. «آزبورن» به سوالش توجهي نكرد، اما به او قول داد اين مورد را بررسي كند. «آزبورن» از يك تكنسين آزمايشگاه خواست اين پديده را امتحان كند. او هم به همان نتيجه «امپمبا» رسيد. سرانجام در سال 1969 مشاهدات «امپمبا» و دكتر «آزبورن» به چاپ رسيد و پديده زودتر يخ زدن آب گرم، به «اثر امپمبا» موسوم شد.
شرايطي كه تحت آن پديده «امپمبا» را مي توان مشاهده كرد، بسيار خاص هستند. شكل يخچال يا منبع سردكننده، شكل ظرف، ناخالصي و ميزان گاز موجود در آب، همه در رخ دادن «اثر امپمبا» موثر هستند. نمي توان «اثر امپمبا» را با مكانيسمي واحد توجيه كرد و در حقيقت مكانيسم هاي توجيه كننده فعلي بيشتر حدس هستند تا دليل قطعي:
1- تبخير: فرض كنيد دو ظرف آب 70 و 30 درجه داريم و آنها را سرد مي كنيم. هنگامي كه آب گرم تر سرد مي شود، مقداري از حجم آن تبخير مي شود، اين مقدار حجم تبخير شده آب از دو راه باعث تسهيل يخ زدن آب گرم تر مي شود:
الف- مقدار جرم آب گرم تر را كم مي كند.
ب- براي تبخير نياز به مقداري گرما است. آب تبخير شده اين گرما را از آب مايع مي گيرد. البته بديهي است كه تبخير به تنهايي نمي تواند «اثر امپمبا» را توجيه كند.
2- گازهاي حل شده در آب: هر چقدر آب گرم تر باشد ميزان گاز حل شده كمتري در خود دارد. بنابراين جريان هاي همرفتي در آن تسهيل مي شود و آب به صورت يكنواخت تري خنك مي شود. به علاوه آبي كه گاز كمتري دارد، نياز به از دست دادن مقدار كمتري گرما براي تبديل شدن به يخ دارد.
3- اثر سطح داغ: وقتي آب گرم تر سرد مي شود، جريان هاي همرفتي در آن به وجود مي آيد و توزيع گرما در آن به صورت يكنواخت نخواهد بود. چنين چيزي باعث مي شود يك لايه آب گرم در بالاي لايه آب سرد در آن ايجاد شود. به اين پديده اثر سطح داغ مي گويند. اين دو لايه يي شدن آب گرم تر باعث مي شود كه سرعت خنك شدن آن نسبت به آب در ابتدا سردتر، بيشتر شود.
4- اثر بر محيط اطراف: محيط اطراف ظرف هاي حاوي آب گرم و آب سردتر، هم بر يخ زدن آب ها اثر مي گذارد. مثلاً اگر آب گرم و سرد، هر دو روي لايه يي از يخ در يخچال قرار داده شوند، آب گرم تر ممكن است در ابتدا باعث ذوب شدن مقداري يخ شود و در يخ فرو رود و در نتيجه شرايط بهتري براي يخ زدن پيدا كند
/ مترجم: عليرضا مجيدي