آب گرم زودتر از آب سرد یخ میزند اما علت چیست؟

گروه گوناگون «تیتریک»،مدت زمان زیادی است که فرضیه ای عجیب تحت عنوان پدیده امپمبا (یا اثر امپمبا) مطرح شده است که بیانگر این است که آب گرم در شرایط خاص زودتر از آب سرد منجمد می شود؛ اما تا کنون علت قانع کننده ای برای این پدیده عجیب ارائه نشده است.

دانشمندان با انجام آزمایشاتی ثابت کرده اند که آب داغ در شرایط خاص زودتر از آب سرد منجمد می شود و این موضوع کاملا با قوانین فیزیک تناقض دارد و آن ها را به چالش کشیده است. کشف این پدیده به زمان ارسطو باز می گردد؛ اما پس از قرن ها آزمایش و اثبات چنین این پدیده، هیچ کس هنوز نتوانسته است دلیل آن را توضیح دهد.

در حال حاضر برخی از فیزیکدانان معتقدند که خصوصیات عجیب پیوندهای هیدروژنی (پیوند بین اتم های اکسیژن و هیدروژن آب) باعث ایجاد این پدیده شگفت انگیز شده است؛ اما برخی از افراد دیگر معتقدند که چنین پدیده ای که تحت عنوان اثر امپمبا شناخته می شود، اصلا وجود خارجی ندارد.

اگر بخواهیم توضیح مختصری در مورد پدیده امپمبا ارائه دهیم باید بگوییم که این پدیده از زمانی که ارسطو برای نخستین بار متوجه آن شد، یعنی ۲۰۰۰ سال پیش، ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است. پس از اینکه نظریه های فرانسیس بیکن و رنه دکارت پذیرفته شد، این نظریه نیز در دهه ۱۹۶۰ توسط عده کثیری از فیزیکدانان پذیرفته شد؛ زیرا یک پسر بچه دبستانی در هنگام درست کردن بستنی متوجه این موضوع شد.

این پسر بچه که اراستو امپمبا نام داشت و همکلاسی هایش برای درست کردن بستنی شیر را می جوشاندند و شکر را به آن اضافه می کردنذ و پس از سرد شدن مایع آن را در فریزر قرار می دادند؛ اما یک روز  امپمبا به امید کسب نتیجه بهتر، شیوه متفاوتی را امتحان کرد و بدون اینکه صبر کند شیر داغ سرد شود، بلافاصله آن را در فریزر قرار داد.

این روش نتیجه شگفت انگیزی داشت و امپمبا متوجه شد که بستنی او زودتر از بستنی همکلاسی هایش آماده شده است. او در سال ۱۹۶۹ با همکاری یک فیزیکدان مشهور، مقاله ای در این مورد منتشر کرد.

اگر چه اکثر فیزیکدانان وجود چنین اتفاقی را پذیرفته بودند؛ اما به دلیل اینکه هیچ توضیحی در مورد این اتفاق عجیب وجود نداشت پایه و اساس آن مورد تردید قرار گرفت و فیزیکدانان این سوال را مطرح می کردند که چگونه ممکن است با اینکه دمای آب سرد به نقطه انجماد نزدیک تر است، آب گرم زودتر از آب سرد منجمد می شود؟

این بحث ها و تردیدها تاکنون ادامه دارد و با اینکه تلاش های بسیار زیادی برای اثبات بدون تردید این پدیده انجام گرفته است، همه آن ها با شکست مواجه شده اند؛ اما در طول قرن های متمادی، کم و بیش شواهدی جهت جلوگیری از رد کامل این پدیده، ارائه شده است.

در سال ۲۰۱۲ انجمن سلطنتی شیمی انگلستان رقابتی را در بین دانشمندان سراسر جهان برگزار کرد و از آن ها خواست علت قانع کننده ای برای این موضوع ارائه دهند. با وجود اینکه در طول این رقابت ۲۲۰۰۰ مقاله از سراسر جهان دریافت شد؛ اما در هیچ کدام از آن ها دلیل قانع کننده ای وجود نداشت که بتواند نظر دانشمندان را به خود جلب کنند و دانشمندان در مورد آن توافق نظر داشته باشند.

دانشمندی به نام سیگن دین با ارائه گزارشی، اکثر دلایل ارائه شده را به این صورت شرح داد: وی گفت که اکثر فرضیه های مطرح شده بیانگر این هستند که هنگامی که آب داغ است، زودتر بخار می شود و به دلیل اینکه بخار آب دارای جرم کمتری است، برای منجمد شدن باید حرارت کمتری از دست بدهد؛ اما با توجه به اینکه پدیده امپمبا در ظرفی در محیط بسته صورت گرفته است؛ دانشمندان نیز باید بر اساس همین شرایط فرضیه خود را بیان کنند و چنین فرضیه ای قابل پذیرش نیست.

فرضیه ای دیگر که در برخی از مقاله ها مطرح شده است این است که آب داغ دارای جریان همرفتی (جریانی برای انتقال گرما در یک سیال) است و همین جریان همرفتی باعث می شود زمانی آب که در حال سرد شدن، دمای آن با شدت بیشتری کاهش پیدا کند.

وی در ادامه افزود نظریه دیگری که در رابطه با این موضوع وجود دارد، این است که اختلاف دما در قسمت های مختلف یک لیوان آب داغ زیاد است و دمای سطح آب داغ زودتر کاهش پیدا می کند، در صورتی که در مورد یک لیوان آب سرد این چنین نیست و اختلاف دما در قسمت های مختلف آن کمتر است و جریان همرفتی کمتر، روند انجماد آن را نیز کندتر می کند.

اما مشکلی که وجود دارد این است که هیچ یک از فرضیه های مطرح شده کاملا قابل قبول نیستند و بر خلاف آزمایشات بسیار زیادی که در طول چند قرن صورت گرفته است؛ هنوز دانشمندان نتوانسته اند دلیل قانع کننده ای برای این پدیده ارائه دهند.

عده ای از محققان دانشگاه متودیست جنوبی آمریکا و دانشگاه نانجینگ چین تصور می کنند که خصوصیات شگفت انگیز پیوند بین اتم های هیدروژن و اکسیژن در آب، می تواند دلیل ایجاد پدیده امپمبا باشد.

این دانشمندان با شبیه سازی خوشه های مولکولی آب متوجه شدند که قدرت پیوند هیدروژنی در یک مولکول آب به آرایش و طرز قرار گرفتن مولکول های آب کنار آن مولکول بستگی دارد. هنگامی که آب گرم می شود، پیوند های ضعیف تر هیدروژنی مولکول های آن از یکدیگر جدا می شوند و بخش هایی را تشکیل می دهند که می توانند با قرار گرفتن در کنار یکدیگر، یخ هایی با ساختار کریستالی را تشکیل دهند که می توانند برای تسریع روند انجماد، به عنوان نقطه انجماد عمل کنند.

برای اینکه ساختار مولکول های آب سرد این چنین تغییر کند، باید پیوندهای ضعیف از یکدیگر گسسته شوند.

به عبارت دیگر پیوندهای هیدروژنی قوی در آب گرم بیشتر از آب سرد است؛ زیرا پیوندهای ضعیف تر با افزایش دما از یکدیگر جدا می شوند.

این تحلیل می تواند به دانشمندان کمک کند تا یک توضیح مولکولی برای پدیده امپمبا ارائه دهند. آن ها در توضیح خود به بیان این مطلب می پردازند که وقتی که دمای آب افزایش پیدا می کند، یک جریان الکترواستاتیک باعث می شود که پیوندهای ضعیف تر هیدروژن از یکدیگر جدا شوند و به این صورت خوشه های کوچک تر با پیوندهای هیدروژنی قوی تر باقی می مانند که می توانند روند تشکیل تکه های هشت ضلعی یخ را تسریع کنند؛ بنابراین می توان نتیجه گرفت که آب گرم از آب سرد که تبدیل خوشه های مولکولی آن با ساختار تصادفی به زمان و انرژی بیشتری نیاز دارد، سریعتر صورت می پذیرد.

اما قبل از اطمینان از صحت این نظریه، باید آن را همانند سایر نظریه های ارائه شده از ابعاد مختلفی مورد بررسی قرار داد و باید عوامل مختلفی را نیز در نظر گرفت.

با وجود اینکه عده ای از محققان با در کنار هم قرار دادن عواملی همچون جریان همرفتی، تبخیر و فرآیند فرا سرمایش (کاهش دمای یک ماده مایع به پایین تر از نقطه انجماد بدون اینکه آن مایع یخ بزند) تلاش کرده اند وجود این پدیده را ثابت کنند (این موضوع را هم باید در نظر بگیریم که انجماد یک فرآیند بسیار سریع نیست و به صورت تدریجی انجام می شود)؛ اما عده ای از دانشمندان فقط آن را در حد یک افسانه ریشه دار می دانند.