انجماد آب گرم و سرد

اگر دو ظرف آب، يكي با آب °C 95 و ديگري با همان مقدار آب با دمايC ° 50 را در يك روز سرد در بيرون از اتاق بگذاريد، آب داغ سريع تر يخ مي زند. چرا؟
اين پديده به اثر Mpemba معروف است (Mpemba يك دانشجوي تانزانيايي كه اولين بار در سال 1969 اين پديده را كشف كرد.) اين اثر در هر دمايي اتفاق نمي افتد. اگر دماها ي شروع به قدر كافي بالا باشد اين پديده مشاهده مي شود.
اين موضوع تا حد زيادي بستگي به تبخير دارد، علاوه بر اين عامل هايي همچون دما، جنبش مولكول هاي آب، گازهاي محلول در آب و … نيز مؤثرند.
در دماهاي بالا تبخير اهميت بيشتري دارد. اگر دو ظرف آب با جرم مساوي در دو دماي متفاوت قرار داده شوند، تبخير از آب گرم تر بيشتر است. و جرم آب گرم آنقدر كم مي شود كه زمان كمتري براي انجماد لازم داشته باشد. آب °C 100 هنگام سرد شدن 16 درصد جرمش را از دست مي دهد تا به دماي صفر درجه برسد و هنگام انجماد 12 درصد ديگر را از دست مي دهد كه در مجموع 26 درصد مي شود. در نتيجه سرد شدن توسط تبخير تأثير بيشتري دارد، ابتدا جرم كاهش مي يابد طوري كه سرماي كمتري نياز دارد. همچنين فرايند تبخير گرم ترين مولكول ها را از آب خارج مي كند و به مقدار قابل توجهي از انرژي جنبشي مولكول هاي باقي مانده مي كاهد.
هنگامي كه آب سرد شروع به انجماد مي كند، لايه ي نازك يخ روي سطح آب مانند يك عايق عمل كرده و لايه هاي زيرين آب را از يخ زدن سريع محافظت كرده و فرايند انجماد كندتر مي شود. اما در آب گرم، انتقال گرما سبب مي شود كه لايه ي يخ ذوب شده و آب سريع تر سرد شود. تبخير عاملي است كه اجازه مي دهد آب گرم زود منجمد شود. بخار حاصل از آب گرم بيشتر از آب سرد است پس تبخير نه تنها مقداري از جرم آب را كم مي كند و باعث مي شود مقدار كمي آب منجمد گردد، بلكه سبب مي شود دماي ظرف آب گرم به خاطر از دست دادن گرما كاهش يابد. همچنين آب گرم شديدتر از آب سرد گرما را از طريق سطح آب و ديواره هاي ظرف منتشر مي كند. تبخير يك فرايند سرد شدن است و آب گرم سريع تر تبخير
مي شود و سرعت اتلاف گرما در آن بيشتر است.
در سال 1977 مجله ي آمريكايي Scientific- خاطر نشان كرد كه گازهاي محلول در آب نيز سرعت سرد شدن آب را كم مي كنند. گرما گازهاي محلول در آب را خارج مي كند. آب نسبتاً خالص ( با گازها و ناخالصي هاي برطرف شده ) تا چند درجه زير صفر سرد شده و سپس يخ مي زند. اين پديده به نام سرماي زير نقطه ي انجماد (supercooling) شناخته شده است. آب همواره داراي مقداري گاز محلول مانند O2 و CO2 است. اين ناخالصي ها دماي انجماد را كاهش مي دهند. وقتي كه آب گرم مي شود گازها خارج مي شوند زيرا حلاليت گازها در آب گرم كم است، پس هنگامي كه آب گرم، سرد مي شود گاز محلول در آن كمتر از موقعي است كه آب سرد باشد. در نتيجه دماي انجماد بالاتر رفته و زودتر منجمد مي شود. البته جنس ظرف آب هم مؤثر است. سردشدن در يك ظرف چوبي بيشتر توسط تبخير مي باشد چون رسانايي گرمايي ضعيفي دارد. يك ظرف چوبي داراي آب °C 100 زمان كمتري نسبت به همان حجم آب در دماي اتاق لازم دارد. اما اگر ظرف فلزي باشد، از اطراف ظرف گرماي قابل ملاحظه اي منتقل شده و تبخير عامل تعيين كننده براي سرد شدن نمي باشد.