یخ زدن اواپراتور چیلر جذبی
اثر امپمبا
آیا آب داغ می تواند سریع تر از آب سرد منجمد شود؟
بله__ توضیح کلی
آب داغ در طیف گسترده‌ای از شرایط آزمایشگاهی می‌تواند سریعتر از آب سرد منجمد شود. این پدیده کاملا بر خلاف روال معمول و حتی در نظر اکثر دانشمندان شگفت‌آور است. اما در حقیقت امری واقعی است. چرا که در آزمایش‌های متعددی نیز مورد مطالعه و مشاهده قرار گرفته است. با وجود اینکه این پدیده برای قرن‌ها 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 قضاوت‌های لحظه‌ای درباره اموری که ناممکن به نظر می‌رسند. در زیر به صورت جداگانه به توضیح آن می‌پردازیم.
اثر امپمبا
این پدیده که آب داغ ممکن است سریعتر از آب سرد یخ بزند اغلب با عنوان اثر امپمبا شناخته می‌شود. چون بیشتر خواننده‌ها در توضیح اول آن را قبول نمی‌کنند 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 ظرف‌ها (به طور یکنواخت) بالاتر از آب ظرف دیگر است.
حالا با استفاده از فرآیند سردکردن یکسان هر دو ظرف را سرد می‌کنیم. تحت بعضی شرایط آب گرم‌تر اول یخ میزند. که این پدیده را اثر امپمبا می‌نامیم. البته در تمام شرایط اولیه آب گرم پیش از آب سرد منجمد نخواهد شد. 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 می‌شود. اثر امپمبا تحت هر شرایط اولیه دمایی، شکل ظرف یا شرایط سرد کردن رخ نخواهد داد.
به نظر این پدیده غیرممکن است، نه؟
شاید بسیاری از خوانندگان باهوش اتفاق نظر داشته باشند که اثر امپمبا ممکن نیست. معمولا دلیل این‌گونه برداشت این است که شخص فرض می‌کند آب سرد در دمای مثلا 30 درجه شروع به سرد شدن می‌کند. و 10 دقیقه زمان میبرد تا یخ بزند. در حالیکه آب گرم‌تر در دمای مثلا 70 درجه شروع به سرد شدن می‌کند.
حالا آب گرم‌تر باید زمانی را سپری کند تا اول به دمای 30 درجه برسد. و بعد از آن هم 10 دقیقه‌ای زمان میبرد تا منجمد شود. بنابراین چون آب گرم‌تر 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 است. که همان دمای میانگین است. اما اگر عوامل دیگری در کنار دمای میانگین نیز مهم باشند آنگاه زمانیکه آب گرم‌تر 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 می‌رسد ممکن است دیگر تغییر کرده باشد. این آب دارای حجم کمتر، گاز محلول کمتر یا جریان‌های معمولی است. که باعث توزیع دمای غیر یکنواخت می‌شوند. 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 آزمایش‌های کنترل شده مورد مشاهده قرارگرفته است.
چه اتفاقی می‌افتد؟
هنوز هم مشخص نیست که دقیقا چه اتفاقی می‌افتد. توضیحات زیادی برای آن ارائه شده اما تا کنون آزمایشات دقیقا نشان نداده‌اند. که کدام یک از مکانیزم‌های ارائه شده مهمترین آنهاست. (البته اگر مکانیزم دیگری مطرح نباشد). وقتی کسی با اطمینان ادعا می‌کند که فاکتور X دلیل اثر امپمبا است باید بدانید که نظیر چنین ادعاهایی معمولا بر پایه حدس و گمان یا در پی شواهدی بوده است. که در چند برگه کاغذ آمده. و بقیه آن نادیده گرفته شده است. البته هیچ مشکلی در چنین حدس و گمان‌های 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 می‌کنند.
چرا دانش مدرن به این سوال به ظاهر ساده درباره سرد شدن آب پاسخی نداده است؟
زمانی که آب برای انجماد صرف می‌کند در جزییات آزمایشگاهی بسیار مهم و حساس است. 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 آزمایش‌ها به طور کلی بر سر پدیده امپمبا به توافق می‌رسند، درباره اینکه که تحت کدام شرایط و چرا این پدیده رخ می‌دهد اتفاق نظر ندارند. همانطور که فرث پیش از این گفته:
“آزمایش‌های گذشته درباره این موضوع تفاوت‌های زیادی را نشان داده‌اند. بنابرین هر آزمایشگاهی که در آینده آزمایشی را ارائه دهد مطمئن خواهد بود که به نتایج متفاوتی دست خواهد یافت.”
بنابراین با توجه به تعداد محدود آزمایش‌هایی که انجام شده، اغلب تحت شرایط بسیار متفاوتی هیچ یک از مکانیزم‌های ارائه شده نمی‌توانند با اطمینان ادعا کنند که یک مکانیزم مشخص درست است. ما در بالا چهار روش را توضیح دادیم که در آنها آب گرم با خنک شدن نسبت به آب سردتر تغییر می‌کرد. آنچه در ادامه می‌آید توضیحی کوتاه بر چهار مکانیزم پشنهادی است که می‌توانند اثر امپمبا را توجیه کنند.
برای دریافت توضیحات بیشتر می‌توانید از مکانیزم لینک‌ها را دنبال کنند. همچنین ضداستدلالات و آزمایش‌هایی که مکانیزم‌ها قادر به توضیح آنها نیست. به نظر می‌رسد هیچ مکانیزمی وجود ندارد. که بتواند اثر امپمبا را برای تمام موقعیت ها توضیح دهد. اما مکانیزم‌های متفاوت تحت شرایط متفاوت مهم هستند.
1. تبخیر
زمانیکه آب گرم‌تر خنک می‌شود. و به دمای اولیه آب سردتر می‌رسد. ممکن است مقدار قابل توجهی آب را در تبخیر از دست بدهد. آبی که حجمش کاهش یافته آسان‌تر به مرحله خنک شدن و انجماد می‌رسد. بنابراین آب گرم‌تر پیش از آبی که از ابتدا سرد بود منجمد می‌شود. اما یخ کمتری تولید می‌کند. محاسبات تئوری نشان داده‌اند که تبخیر می‌تواند اثر امپمبا را توضیح دهد. با این فرض که آب صرفا از طریق تبخیر گرمای خود را از دست می‌دهد.
این توضیحی قابل اطمینان و محکم بوده. و بی شک تبخیر نیز در اکثر شرایط مهم است. اگرچه این تنها مکانیزم نیست. تبخیر نمی‌تواند آزمایش‌هایی که در ظروف در بسته انجام شده بودند را توضیح دهد. چرا که هیج حجمی از آب تبخیر نشده بود. بسیاری از داشمندان مدعی شده‌اند 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 می‌رود. بنابراین ممکن است آب گرم‌تر گاز محلول کمتری نسبت به آبی که از ابتدا سرد بوده داشته باشد. گمان می‌رود همین امر به روشی ویژگی‌های آب را تغییر دهد. مثلا شاید ایجاد جریان‌های همرفت را راحت‌تر 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. آزمایش‌هایی وجود دارند که تاییدی بر این مکانیزم هستند. اما هیچ محاسبات تئوریکی آن را پشتیبانی نمی‌کند.
3. همرفت یا انتقال گرما
وقتی آب خنک می‌شود می‌تواند جریان‌های همرفت و توزیع دمای غیر یکنواخت را بیشتر کند. در بیشتر دماها با افزایش دما چگالی کاهش می‌یابد. و بنابراین سطح آب گرم‌تر 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 سریعتر از آنچه ما بر اساس دمای میانگین انتظار داریم از دست می‌دهد.
وقتی آبِ گرم‌تر تا دمای میانگین آب سرد اولیه خنک می شود آنگاه “سطح داغ” خواهد داشت. و بعد میزان سرد شدن آن سریعتر 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 جریان‌های همرفت وابسته را مشاهده کنند. مشخص نیست که همرفت می‌تواند 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 گرم‌تر محیط اطراف خود را به روش‌های پیچیده‌ای تغییر دهد. و ازین رو بر فرآیند سردشدن تاثیر بگذارد. برای مثال اگر ظرف روی لایه‌ای سرد قرار گرفته باشد که گرما را به کندی انتقال می‌دهد 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. چرا که اکثر آزمایشات با ظرف‌هایی روی لایه‌ای سرد انجام نمی‌شوند.
در نهایت ممکن است سرمای بیش از حد یا سوپرکولینگ در این روند مهم باشد. سوپرکولینگ زمانی اتفاق می افتد که آب در دمایی پایین‌تر از 0 منجمد می‌شود. 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 گرم‌تر 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 می‌رسد.
به طور خلاصه آب گرم تحت شرایط زیادی زودتر از آب سرد منجمد می‌شود. این پدیده غیرممکن نیست چرا که در برخی آزمایشات اتفاق افتاده است. اگرچه علاوه بر ادعاهایی که برخی منابع دارند به طور یقین توضیحی بر چگونگی این پدیده وجود ندارد. مکانیزم‌های متفاوتی ارائه شده‌اند 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 می‌دهد چطور آزمایش‌های خانگی در این رابطه انجام دهید. اورباخ و وویسیچوفسکی نیز دو مقاله بسیار مدرن تر درباره اثر امپمبا ارائه کرده‌اند.
یکی از توضیحات این اثر این است که وقتی آب داغ سرد می‌شود حجمی را در اثر تبخیر از دست می دهد.
در صورت هر گونه سوال در خصوص یخ زدن اواپراتور چیلر جذبی با مشاورین ما تماس بگیرید.