دسته های مرتبط

یخ زدن اواپراتور چیلر جذبی

یخ زدن اواپراتور چیلر جذبی
آیا آب داغ می تواند سریع تر از آب سرد منجمد شود؟
بله__ توضیح کلی
آب داغ در طیف گسترده ای از شرایط آزمایشگاهی می تواند سریعتر از آب سرد منجمد شود. این پدیده کاملا بر خلاف روال معمول و حتی در نظر اکثر دانشمندان شگفت آور است اما در حقیقت امری واقعی بوده چرا که در آزمایش های متعددی نیز مورد مطالعه و مشاهده قرار گرفته است. با وجود اینکه این پدیده برای قرن ها شناخته شده بوده و حتی ارسطو، بیکن و دکارت هم آن را تشریح کرده بودند، برای جامعه دانشمندان مدرن شناخته شده نبود تا اینکه در سال 1969 دانش آموز دبیرستانی اهل تانزانیا به نام اِمپمبا آن را به دیگران شناساند. هم تاریخچه علمی این اثر و هم کشف مجدد اِمپمبا در نوع خودشان جالبند. داستان امپمبا نمونه جالبی است در مقابله با قضاوت های لحظه ای درباره اموری که ناممکن به نظر می رسند. در زیر به صورت جداگانه به توضیح آن می پردازیم.
این پدیده که آب داغ ممکن است سریع تر از آب سرد یخ بزند اغلب با عنوان اثر امپمبا شناخته می شود. بی شک به این دلیل که بیشتر خواننده ها در توضیح اول آن را قبول نمی کنند بهتر است در شروع منظور از اثر امپمبا را دقیقا شرح دهیم. با دو ظرف آب شروع می کنیم که شکل و ظرفیت نگهداری آب آنها یکسان است. تنها تفاوت آنها این است که دمای آب یکی از ظرف ها (به طور یکنواخت) بالاتر از آب ظرف دیگر است. حالا با استفاده از فرآیند سردکردن یکسان هر دو ظرف را سرد می کنیم. تحت بعضی شرایط آب گرم تر اول یخ میزند که این پدیده را اثر امپمبا می نامیم. البته در تمام شرایط اولیه آب گرم پیش از آب سرد منجمد نخواهدشد. اگر آب داغ در 99.9 درجه سانتیگراد و آب سرد در 0.01 درجه سانتیگراد شروع به سرد شدن کنند آنگاه روشن است تحت چنین شرایطی آب سرد زودتر منجمد می شود. اثر امپمبا تحت هر شرایط اولیه دمایی، شکل ظرف یا شرایط سرد کردن رخ نخواهدداد.
به نظر این پدیده غیرممکن است، نه؟ شاید بسیاری از خوانندگان باهوش اتفاق نظر داشته باشند که اثر امپمبا ممکن نیست. معمولا دلیل این گونه برداشت اینگونه است که شخص فرض می کند که آب سرد در دمای مثلا 30 درجه شروع به سرد شدن می کند و 10 دقیقه زمان می برد تا یخ بزند در حالیکه آب گرم تر در دمای مثلا 70 درجه شروع به سرد شدن می کند. حالا آب گرم تر باید زمانی را سپری کند تا اول به دمای 30 درجه برسد و بعد از آن هم 10 دقیقه ای زمان میبرد تا منجمد شود. بنابراین چون آب گرم تر دقیقا باید همان کاری را بکند که آب سردتر انجام داد، حتی کمی هم بیشتر، پس زمان بیشتری نیاز دارد، درست است؟ کجای این اثبات می تواند اشتباه باشد؟
چیزی که درباره این اثبات و دلیل درست نیست این است که به طور ضمنی فرض می کند آب صرفا با یک عدد تنها مشخص شده که همان دمای میانگین است. اما اگر عوامل دیگری در کنار دمای میانگین نیز مهم باشند آنگاه زمانیکه آب گرم تر تا دمای میانگین 30 درجه سرد شده ممکن است اکنون تفاوت زیادی با آب سردی که (با دمای 30 درجه به طور یکنواخت) شروع به سرد شدن کرد داشته باشد. چرا؟ وقتی آب از دمای یکنواخت 70 درجه به میانگین 30 درجه می رسد ممکن است دیگر تغییر کرده باشد. این آب دارای حجم کمتر، گاز محلول کمتر یا جریان های معمولی است که باعث توزیع دمای غیر یکنواخت می شوند. یا ممکن است محیط اطراف ظرف درون یخچال را تغییر دهد. تمامی این چهار تغییر به طور باورپذیری مهم هستند و در زیر به هر یک به طور جداگانه پرداخت شده است. بنابراین اثبات بالا مبنی بر غیرممکن بودن این پدیده درست از آب در نیامد. و در حقیقت اثر امپمبا در تعداد زیادی از آزمایش های کنترل شده مورد مشاهده قرارگرفته است.
هنوز هم مشخص نیست که دقیقا چه اتفاقی می افتد. توضیحات زیادی برای آن ارائه شده اما تا کنون آزمایشات دقیقا نشان نداده اند که کدام یک از مکانیزم های ارائه شده مهمترین آنهاست (البته اگر مکانیزم دیگری مطرح نباشد). وقتی کسی با اطمینان ادعا می کند که فاکتور X دلیل اثر امپمبا است باید بدانید که نظیر چنین ادعاهایی معمولا بر پایه حدس و گمان یا در پی شواهدی بوده که در چند برگه کاغذ آمده و بقیه آن نادیده گرفته شده است. البته هیچ مشکلی در چنین حدس و گمان های تئوریک وجود ندارد یا اینکه شما به کدام یک از دلایل اعتماد می کنید؛ مشکل اینجاست که افراد متفاوت درباره اینکه X چیست ادعاهای متفاوتی می کنند.
چرا دانش مدرن به این یوال به ظاهر ساده درباره سرد شدن آب پاسخی نداده است؟ مشکل اصلی اینجاست که زمانی که آب برای انجماد صرف می کند در جزییات آزمایشگاهی بسیار مهم و حساس تعیین می شود مثل شکل و اندازه ظرف، شکل و اندازه یخچال، گاز و محتوای ناخالصی آب، چگونگی تعریف زمان انجماد آب و غیره. به دلیل این حساسیت، در حالیکه آزمایش ها به طور کلی بر سر پدیده امپمبا به توافق می رسند، درباره اینکه که تحت کدام شرایط و چرا این پدیده رخ می¬دهد اتفاق نظر ندارند. همانطور که فرث پیش از این گفته “آزمایش¬های گذشته درباره این موضوع تفاوت¬های زیادی را نشان داده¬اند بنابرین هر آزمایشگاهی که در آینده آزمایشی را ارائه دهد مطمئن خواهد بود که به نتایج متفاوتی دست خواهدیافت.”

بنابراین با توجه به تعداد محدود آزمایش¬هایی که انجام شده، اغلب تحت شرایط بسیار متفاوتی هیچ یک از مکانیزم های ارائه شده نمی توانند با اطمینان ادعا کنند که یک مکانیزم مشخص درست است. ما در بالا چهار روش را توضیح دادیم که در آنها آب گرم ربا خنک شدن نسبت به آب سردتر تغییر می کرد. آنچه در ادامه می آید توضیحی کوتاه بر چهار مکانیزم پشنهادی است که می توانند اثر امپمبا را توجیح کنند. خواننده های مشتاق تر می توانند برای دریافت توضیحات کامل تری از مکانیزم لینک ها را دنبال کنند، همچنین ضداستدلالات و آزمایش هایی که مکانیزم ها قادر به توضیح آن ها نیست. به نظر می رسد هیچ مکانیزمی وجود ندارد که بتواند اثر امپمبا را برای تمام موقعیت ها توضیح دهد اما مکانیزم های متفاوت تحت شرایط متفاوت مهم هستند.
1. تبخیر
زمانیکه آب گرم تر خنک می شود و به دمای اولیه آب سردتر می رسد ممکن است مقدار قابل توجهی آب را در تبخیر از دست بدهد. آبی که حجمش کاهش یافته آسان تر به مرحله خنک شدن و انجماد می رسد. بنابراین آب گرم تر پیش از آبی که از ابتدا سرد بود منجمد می شود اما یخ کمتری تولید می کند. محاسبات تئوری نشان داده اند که تبخیر می تواند اثر امپمبا را توضیح دهد با این فرض که آب صرفا از طریق تبخیر گرمای خود را از دست می دهد. این توضیحی قابل اطمینان و محکم بوده و بی شک تبخیر نیز در اکثر شرایط مهم است. اگرچه این تنها مکانیزم نیست. تبخیر نمی تواند آزمایش هایی که در ظروف در بسته انجام شده بودند را توضیح دهد چراکه هیج حجمی از آب تبخیر نشده بود. بسیاری از داشمندان مدعی شده اند که تبخیر به تنهایی برای توضیح نتایج به دست آمده آنها کافی نیست.
2. گازهای محلول
آب داغ گاز نسبت به آب سرد محلول کمتری را در خود نگه می دارد و حجم بیشتری گاز هنگام جوش از دست می رود. بنابراین ممکن است آب گرم تر گاز محلول نسبت به آبی که از ابتدا سرد بوده داشته باشد. گمان می رود همین امر به روشی ویژگی های آب را تغییر دهد، مثلا شاید ایجاد جریان های همرفت را راحت تر کند (و بنابراین روند خنک کردن را آسان تر کند)، یا مقدار گرمای مورد نیاز برای انجماد حجم واحدی از آب را کاهش داده و یا شاید نقطه جوش را تغییر دهد. آزمایش هایی وجود دارند که تاییدی بر این مکانیزم هستند اما هیچ محاسبات تئوریکی آن را پشتیبانی نمی کند.
3. همرفت یا انتقال گرما
وقتی آب خنک می شود می تواند جریان¬های همرفت و توزیع دمای غیر یکنواخت را بیشتر کند. در بیشتر دماها با افزایش دما چگالی کاهش می یابد و بنابراین سطح آب گرم تر از عمق آب است: این اتفاق “سطح داغ” نام دارد. حالا اگر آب در درجه اول از سطح خود گرما از دست دهد آنگاه آبِ با “سطح داغ” گرما را سریع تر از آنچه ما بر اساس دمای میانگین انتظار داریم از دست می دهد. وقتی آبِ گرم تر تا دمای میانگین آب سرد اولیه خنک می شود آنگاه “سطح داغ” خواهد داشت و بعد میزان سرد شدن آن سریع تر از میزان سرد شدن آب سرد اولیه در دمای میانگینِ یکسان خواهدبود. ممکن است نیاز باشد تا دوباره این پاراگراف را بخوانید و به تفاوت بین دمای اولیه، دمای میانگین و دما دقت کنید. وقتی آزمایشات “سطح داغ” و جریان های همرفت وابسته را مشاهده کنند مشخص نیست که همرفت می تواند به خودی خود اثر امپمبا را توضیح دهد یا خیر.
4. محیط اطراف
تفاوت نهایی بین خنک شدن دو ظرف نه فقط مربوط به خود آب بلکه به محیط اطراف نیز مرتبط است. ممکن است آب گرم¬تر محیط اطراف خود را به روش های پیچیده ای تغییر دهد و ازین رو بر فرآیند سردشدن تاثیر بگذارد. برای مثال اگر ظرف روی لایه ای سرد قرار گرفته باشد که گرما را به کندی انتقال می¬دهد ممکن است آب داغ آن لایه سرد را آب کند و بنابراین سیستم سرمایشی بهتری را در طول جریان برقرار سازد. به طور مشخص توضیحاتی از این دست خیلی متداول نیستند چراکه اکثر آزمایشات با ظرف هایی روی لایه ای سرد انجام نمی شوند.
در نهایت ممکن است سرمای بیش از حد یا سوپرکولینگ در این روند مهم باشد. سوپرکولینگ زمانی اتفاق می افتد که آب نه در دمای 0 درجه بلکه در دمایی پایین تر منجمد می شود. آزمایشی نشان داد که آب داغ اولیه کمتر از آب سرد اولیه به سوپرکول یا دمای زیر انجماد رسید. این به آن معنی است که آب گرم تر ممکن است اول منجمد شود زیرا در دمای بالاتری نسبت به آب سردتر منجمد خواهدشد. اگر این امر درست باشد توضیح کاملی بر اثر امپمبا نخواهدبود چون همچنان نیاز داریم تا بدانیم چرا آب داغ نسبت به آب سرد کمتر به نقطه زیر انجماد می رسد.
به طور خلاصه آب گرم تحت شرایط زیادی زودتر از آب سرد منجمد می شود. این پدیده غیرممکن نیست چراکه در برخی آزمایشات اتفاق افتاده است. اگرچه علاه بر ادعاهایی که برخی منابع دارند به طور یقین توضیحی بر چگونگی این پدیده وجود ندارد. مکانیزم های متفاوتی ارائه شده اند اما شواهد تجربی قاطعی وجود ندارند. مقاله جرل واکر در Scientific American برای کسانی که مایل به مطالعه بیشتری درباره این موضوع هستند بسیار خواندنی است و پیشنهاد می دهد چطور آزمایش های خانگی در این رابطه انجام دهید. اورباخ و وویسیچوفسکی نیز دو مقاله بسیار مدرن تر درباره اثر امپمبا ارائه کرده اند.
توضیحات بیشتر
تبخیر
یکی از توضیحات این اثر این است که وقتی آب داغ سرد می شود حجمی را در اثر تبخیر از دست می دهد.


منتشر شده در :// نویسنده:mehrspand

contact

تهران،خیابان آزادی،اتوبان نواب،جنب خیابان هاشمی،پلاک 48
شماره تماس:
09123873563
021-43855203

ایمیل پشتیبانی : info@mehrespand.ir
facebook google instagram twitter aparat pinterest

about us

این شرکت با استفاده از استانداردهای معتبر جهانی تحت عنوان,ASHRAE-15مقررات و ایمنی تبرید مکانیکی ASAB9.1 و قوانین ASMEجهت مخازن تحت فشار در زمینه تاسیسات برودتی توانسته است بهترین راهکارهای تعمیر، سرویس، راهبری و تامین قطعات دستگاههای تهویه مطبوع را ارائه نماید و نیز با بهره گیری از توان علمی و تخصصی و دانش فنی روز دنیا نسبت به ارائه مشاوره و راهنمائی محققین ،دانشجویان و علاقه مندان به این رشته را فراهم نماید. علاقه مندان جهت دریافت هر گونه پاسخ در این زمینه با گروه مشاورین شرکت تماس حاصل نمایند.

mehrspand


تمامی حقوق مادی و معنوی این وبسایت محفوظ است 2008-2015