انجماد آب گرم وسرد

اگر دو ظرف آب، یکی با آب ^°C 95 و دیگری با همان مقدار آب با دمایC ^° 50 را در یک روز سرد در بیرون از اتاق بگذارید، آب داغ سریع تر یخ می زند. چرا؟

این پدیده به اثر Mpemba معروف است (Mpemba یک دانشجوی تانزانیایی که اولین بار در سال 1969 این پدیده را کشف کرد.) این اثر در هر دمایی اتفاق نمی افتد. اگر دماها ی شروع به قدر کافی بالا باشد این پدیده مشاهده می شود.این موضوع تا حد زیادی بستگی به تبخیر دارد، علاوه بر این عامل هایی همچون دما، جنبش مولکول های آب، گازهای محلول در آب و … نیز مؤثرند.در دماهای بالا تبخیر اهمیت بیشتری دارد. اگر دو ظرف آب با جرم مساوی در دو دمای متفاوت قرار داده شوند، تبخیر از آب گرم تر بیشتر است. و جرم آب گرم آنقدر کم می شود که زمان کمتری برای انجماد لازم داشته باشد. آب ^°C 100 هنگام سرد شدن 16 درصد جرمش را از دست می دهد تا به دمای صفر درجه برسد و هنگام انجماد 12 درصد دیگر را از دست می دهد که در مجموع 26 درصد می شود. در نتیجه سرد شدن توسط تبخیر تأثیر بیشتری دارد، ابتدا جرم کاهش می یابد طوری که سرمای کمتری نیاز دارد. همچنین فرایند تبخیر گرم ترین مولکول ها را از آب خارج می کند و به مقدار قابل توجهی از انرژی جنبشی مولکول های باقی مانده می کاهد.هنگامی که آب سرد شروع به انجماد می کند، لایه ی نازک یخ روی سطح آب مانند یک عایق عمل کرده و لایه های زیرین آب را از یخ زدن سریع محافظت کرده و فرایند انجماد کندتر می شود. اما در آب گرم، انتقال گرما سبب می شود که لایه ی یخ ذوب شده و آب سریع تر سرد شود. تبخیر عاملی است که اجازه می دهد آب گرم زود منجمد شود. بخار حاصل از آب گرم بیشتر از آب سرد است پس تبخیر نه تنها مقداری از جرم آب را کم می کند و باعث می شود مقدار کمی آب منجمد گردد، بلکه سبب می شود دمای ظرف آب گرم به خاطر از دست دادن گرما کاهش یابد. همچنین آب گرم شدیدتر از آب سرد گرما را از طریق سطح آب و دیواره های ظرف منتشر می کند. تبخیر یک فرایند سرد شدن است و آب گرم سریع تر تبخیر می شود و سرعت اتلاف گرما در آن بیشتر است.در سال 1977 مجله ی آمریکایی Scientific- خاطر نشان کرد که گازهای محلول در آب نیز سرعت سرد شدن آب را کم می کنند. گرما گازهای محلول در آب را خارج می کند. آب نسبتاً خالص ( با گازها و ناخالصی های برطرف شده ) تا چند درجه زیر صفر سرد شده و سپس یخ می زند. این پدیده به نام سرمای زیر نقطه ی انجماد (supercooling) شناخته شده است. آب همواره دارای مقداری گاز محلول مانند O₂ و CO₂ است. این ناخالصی ها دمای انجماد را کاهش می دهند. وقتی که آب گرم می شود گازها خارج می شوند زیرا حلالیت گازها در آب گرم کم است، پس هنگامی که آب گرم، سرد می شود گاز محلول در آن کمتر از موقعی است که آب سرد باشد. در نتیجه دمای انجماد بالاتر رفته و زودتر منجمد می شود. البته جنس ظرف آب هم مؤثر است. سردشدن در یک ظرف چوبی بیشتر توسط تبخیر می باشد چون رسانایی گرمایی ضعیفی دارد. یک ظرف چوبی دارای آب ^°C 100 زمان کمتری نسبت به همان حجم آب در دمای اتاق لازم دارد. اما اگر ظرف فلزی باشد، از اطراف ظرف گرمای قابل ملاحظه ای منتقل شده و تبخیر عامل تعیین کننده برای سرد شدن نمی باشد.