કયું પાણી ઝડપથી ઠંડુ થાય છે, ગરમ કે ઠંડું? શા માટે ઠંડા પાણી કરતાં ગરમ ​​પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે?

આ લેખમાં આપણે એ પ્રશ્ન જોઈશું કે શા માટે ઠંડા પાણી કરતાં ગરમ ​​પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે.

ગરમ પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે! પાણીની આ અદ્ભુત મિલકત, જેના માટે વૈજ્ઞાનિકો હજી પણ ચોક્કસ સમજૂતી શોધી શકતા નથી, તે પ્રાચીન સમયથી જાણીતું છે. ઉદાહરણ તરીકે, એરિસ્ટોટલમાં પણ શિયાળાની માછીમારીનું વર્ણન છે: માછીમારોએ બરફના છિદ્રોમાં ફિશિંગ સળિયા દાખલ કર્યા, અને જેથી તેઓ ઝડપથી થીજી જાય, તેઓએ બરફ પર ગરમ પાણી રેડ્યું. 20મી સદીના 60ના દાયકામાં આ ઘટનાનું નામ ઈરાસ્ટો એમપેમ્બાના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું હતું. આઈસ્ક્રીમ બનાવતી વખતે મ્નેમ્બાએ એક વિચિત્ર અસર જોઈ અને સમજૂતી માટે તેમના ભૌતિકશાસ્ત્રના શિક્ષક ડૉ. ડેનિસ ઓસ્બોર્ન તરફ વળ્યા. એમપેમ્બા અને ડો. ઓસ્બોર્ને જુદા જુદા તાપમાને પાણીનો પ્રયોગ કર્યો અને તારણ કાઢ્યું કે લગભગ ઉકળતું પાણી ઓરડાના તાપમાને પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જવા લાગે છે. અન્ય વૈજ્ઞાનિકોએ તેમના પોતાના પ્રયોગો કર્યા અને દરેક વખતે સમાન પરિણામો મેળવ્યા.

ભૌતિક ઘટનાની સમજૂતી

આવું શા માટે થાય છે તેના માટે કોઈ સામાન્ય રીતે સ્વીકૃત સમજૂતી નથી. ઘણા સંશોધકો સૂચવે છે કે સમગ્ર બિંદુ પ્રવાહીના સુપરકૂલિંગમાં છે, જે ત્યારે થાય છે જ્યારે તેનું તાપમાન ઠંડું બિંદુથી નીચે જાય છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, જો પાણી 0°C થી નીચેના તાપમાને થીજી જાય છે, તો સુપરકૂલ્ડ પાણીનું તાપમાન હોઈ શકે છે, ઉદાહરણ તરીકે, -2°C અને તે બરફમાં બદલાયા વિના પણ પ્રવાહી રહી શકે છે. જ્યારે આપણે ઠંડા પાણીને સ્થિર કરવાનો પ્રયાસ કરીએ છીએ, ત્યારે એવી સંભાવના છે કે તે પહેલા સુપરકૂલ્ડ થઈ જશે અને થોડા સમય પછી જ સખત થઈ જશે. અન્ય પ્રક્રિયાઓ ગરમ પાણીમાં થાય છે. બરફમાં તેનું ઝડપી પરિવર્તન સંવહન સાથે સંકળાયેલું છે.

સંવહન- આ એક ભૌતિક ઘટના છે જેમાં પ્રવાહીના ગરમ નીચલા સ્તરો વધે છે, અને ઉપરના, ઠંડુ પડે છે.

હેલો, રસપ્રદ તથ્યોના પ્રિય પ્રેમીઓ. આજે અમે તમારી સાથે તેના વિશે વાત કરીશું. પરંતુ મને લાગે છે કે શીર્ષકમાં પૂછવામાં આવેલ પ્રશ્ન ફક્ત વાહિયાત લાગે છે - પરંતુ કોઈએ હંમેશા અવિભાજ્યપણે કુખ્યાત "સામાન્ય સમજ" પર વિશ્વાસ રાખવો જોઈએ અને સખત રીતે સ્થાપિત પરીક્ષણ પ્રયોગ નહીં. ચાલો એ જાણવાનો પ્રયત્ન કરીએ કે શા માટે ગરમ પાણી ઠંડા પાણી કરતાં ઝડપથી થીજી જાય છે?

ઐતિહાસિક પૃષ્ઠભૂમિ

એરિસ્ટોટલના કાર્યોમાં "બધું શુદ્ધ નથી" નો ઉલ્લેખ ઠંડા અને ગરમ પાણીના મુદ્દામાં કરવામાં આવ્યો હતો, પછી એફ. બેકન, આર. ડેસકાર્ટેસ અને જે. બ્લેક દ્વારા સમાન નોંધો બનાવવામાં આવી હતી. તાજેતરના ઈતિહાસમાં, આ અસરને "Mpemba’s Paradox" નામ આપવામાં આવ્યું છે - જેનું નામ ટાંગાનીકાના એક શાળાના છોકરા એરાસ્ટો એમ્પેમ્બાના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે, જેમણે વિઝિટિંગ ફિઝિક્સ પ્રોફેસરને આ જ પ્રશ્ન પૂછ્યો હતો.

છોકરાનો પ્રશ્ન ક્યાંયથી ઊભો થયો ન હતો, પરંતુ રસોડામાં આઈસ્ક્રીમના મિશ્રણને ઠંડુ કરવાની પ્રક્રિયાના સંપૂર્ણ વ્યક્તિગત અવલોકનોથી. અલબત્ત, ત્યાં હાજર રહેલા સહપાઠીઓને, શાળાના શિક્ષક સાથે મળીને, એમપેમ્બાને હસાવ્યા - જો કે, પ્રોફેસર ડી. ઓસ્બોર્ન દ્વારા વ્યક્તિગત રીતે પ્રાયોગિક પરીક્ષણ પછી, ઇરાસ્ટોની મજાક ઉડાવવાની ઇચ્છા તેમનામાંથી "બાષ્પીભવન" થઈ ગઈ. તદુપરાંત, એમપેમ્બાએ પ્રોફેસર સાથે મળીને 1969 માં ભૌતિકશાસ્ત્ર શિક્ષણમાં આ અસરનું વિગતવાર વર્ણન પ્રકાશિત કર્યું - અને ત્યારથી વૈજ્ઞાનિક સાહિત્યમાં ઉપરોક્ત નામ નિશ્ચિત કરવામાં આવ્યું છે.

ઘટનાનો સાર શું છે?

પ્રયોગનું સેટઅપ એકદમ સરળ છે: અન્ય તમામ વસ્તુઓ સમાન હોવાને કારણે, સમાન પાતળા-દિવાલોવાળા જહાજોનું પરીક્ષણ કરવામાં આવે છે, જેમાં સખત સમાન પ્રમાણમાં પાણી હોય છે, માત્ર તાપમાનમાં તફાવત હોય છે. જહાજોને રેફ્રિજરેટરમાં લોડ કરવામાં આવે છે, ત્યારબાદ તેમાંથી દરેકમાં બરફ રચાય ત્યાં સુધીનો સમય રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે. વિરોધાભાસ એ છે કે શરૂઆતમાં વધુ ગરમ પ્રવાહી ધરાવતા વાસણમાં આ ઝડપથી થાય છે.

આધુનિક ભૌતિકશાસ્ત્ર આને કેવી રીતે સમજાવે છે?

વિરોધાભાસમાં સાર્વત્રિક સમજૂતી હોતી નથી, કારણ કે ઘણી સમાંતર પ્રક્રિયાઓ એકસાથે થાય છે, જેનું યોગદાન ચોક્કસ પ્રારંભિક પરિસ્થિતિઓના આધારે બદલાઈ શકે છે - પરંતુ સમાન પરિણામ સાથે:

• સુપરકૂલ માટે પ્રવાહીની ક્ષમતા - શરૂઆતમાં ઠંડુ પાણી સુપરકૂલિંગ માટે વધુ સંવેદનશીલ હોય છે, એટલે કે. જ્યારે તેનું તાપમાન પહેલાથી થીજબિંદુથી નીચે હોય ત્યારે તે પ્રવાહી રહે છે
• ત્વરિત ઠંડક - ગરમ પાણીમાંથી વરાળ બરફના માઇક્રોક્રિસ્ટલ્સમાં રૂપાંતરિત થાય છે, જે, જ્યારે પાછળ પડે છે, પ્રક્રિયાને વેગ આપે છે, વધારાના "બાહ્ય હીટ એક્સ્ચેન્જર" તરીકે કામ કરે છે.
• ઇન્સ્યુલેશન અસર - ગરમ પાણીથી વિપરીત, ઠંડુ પાણી ઉપરથી થીજી જાય છે, જે સંવહન અને રેડિયેશન દ્વારા હીટ ટ્રાન્સફરમાં ઘટાડો તરફ દોરી જાય છે

ત્યાં અન્ય સંખ્યાબંધ ખુલાસાઓ છે (છેલ્લી વખત બ્રિટિશ રોયલ સોસાયટી ઑફ કેમિસ્ટ્રી દ્વારા શ્રેષ્ઠ પૂર્વધારણા માટે સ્પર્ધા યોજાઈ હતી તે તાજેતરમાં, 2012 માં હતી) - પરંતુ ઇનપુટ શરતોના સંયોજનના તમામ કેસ માટે હજુ પણ કોઈ અસ્પષ્ટ સિદ્ધાંત નથી...

પાણી એ વિશ્વના સૌથી અદ્ભુત પ્રવાહીમાંનું એક છે, જે અસામાન્ય ગુણધર્મો ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, બરફ, પ્રવાહીની નક્કર અવસ્થામાં ચોક્કસ ગુરુત્વાકર્ષણ પાણી કરતાં ઓછું હોય છે, જેણે પૃથ્વી પર જીવનનો ઉદભવ અને વિકાસ મોટે ભાગે શક્ય બનાવ્યો હતો. આ ઉપરાંત, સ્યુડો-વૈજ્ઞાનિક અને વૈજ્ઞાનિક વિશ્વમાં ચર્ચાઓ છે કે કયા પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે - ગરમ કે ઠંડુ. કોઈપણ જે સાબિત કરી શકે છે કે ગરમ પ્રવાહી ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં ઝડપથી થીજી જાય છે અને તેના ઉકેલને વૈજ્ઞાનિક રીતે સાબિત કરે છે તેને બ્રિટિશ રોયલ સોસાયટી ઑફ કેમિસ્ટ તરફથી £1,000 નું ઈનામ મળશે.

પૃષ્ઠભૂમિ

હકીકત એ છે કે, ઘણી પરિસ્થિતિઓમાં, ગરમ પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે તે મધ્ય યુગમાં જોવા મળ્યું હતું. ફ્રાન્સિસ બેકોન અને રેને ડેસકાર્ટેસે આ ઘટનાને સમજાવવા માટે ઘણા પ્રયત્નો કર્યા. જો કે, ક્લાસિકલ હીટ એન્જિનિયરિંગના દૃષ્ટિકોણથી, આ વિરોધાભાસને સમજાવી શકાતો નથી, અને તેઓએ તેના વિશે બેશરમ રીતે ચૂપ રહેવાનો પ્રયાસ કર્યો. 1963માં તાંઝાનિયાના શાળાના છોકરા એરાસ્ટો એમ્પેમ્બા સાથે બનેલી ચર્ચાને ચાલુ રાખવાની પ્રેરણા કંઈક અંશે વિચિત્ર વાર્તા હતી. એક દિવસ, રસોઇયાની શાળામાં મીઠાઈઓ બનાવવાના પાઠ દરમિયાન, છોકરા, અન્ય વસ્તુઓથી વિચલિત, સમયસર આઈસ્ક્રીમ મિશ્રણને ઠંડુ કરવાનો અને ફ્રીઝરમાં દૂધમાં ખાંડનું ગરમ ​​​​સોલ્યુશન મૂકવાનો સમય ન હતો. તેના આશ્ચર્ય વચ્ચે, ઉત્પાદન તેના સાથી વિદ્યાર્થીઓ કરતાં કંઈક અંશે ઝડપથી ઠંડુ થયું, જેમણે આઈસ્ક્રીમ તૈયાર કરવા માટે તાપમાન શાસનનું અવલોકન કર્યું.

ઘટનાના સારને સમજવાનો પ્રયાસ કરતા, છોકરો ભૌતિકશાસ્ત્રના શિક્ષક તરફ વળ્યો, જેણે વિગતોમાં ગયા વિના, તેના રાંધણ પ્રયોગોની મજાક ઉડાવી. જો કે, ઈરાસ્ટો ઈર્ષ્યાપાત્ર મક્કમતાથી અલગ હતો અને તેણે તેના પ્રયોગો દૂધ પર નહીં, પરંતુ પાણી પર ચાલુ રાખ્યા. તેને ખાતરી થઈ ગઈ કે કેટલાક કિસ્સાઓમાં ગરમ ​​પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે.

દાર એસ સલામ યુનિવર્સિટીમાં પ્રવેશ્યા પછી, એરાસ્ટો એમ્પેમ્બે પ્રોફેસર ડેનિસ જી. ઓસ્બોર્નના વ્યાખ્યાનમાં હાજરી આપી હતી. તે પૂર્ણ થયા પછી, વિદ્યાર્થીએ વૈજ્ઞાનિકને તેના તાપમાનના આધારે પાણીના ઠંડું થવાના દર વિશે સમસ્યા સાથે મૂંઝવણમાં મૂક્યો. ડી.જી. ઓસ્બોર્ને આ પ્રશ્નની ખૂબ જ મજાક ઉડાવી હતી, અને ઉગ્રતા સાથે જાહેર કર્યું હતું કે કોઈપણ ગરીબ વિદ્યાર્થી જાણે છે કે ઠંડુ પાણી ઝડપથી જામી જશે. જો કે, યુવાનની કુદરતી મક્કમતાનો અનુભવ થયો. તેણે પ્રોફેસર સાથે શરત લગાવી, અહીં પ્રયોગશાળામાં પ્રાયોગિક પરીક્ષણ કરાવવાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. ઈરાસ્ટોએ ફ્રીઝરમાં પાણીના બે કન્ટેનર મૂક્યા, એક 95°F (35°C) પર અને બીજું 212°F (100°C) પર. બીજા કન્ટેનરમાં પાણી ઝડપથી થીજી જાય ત્યારે પ્રોફેસર અને આસપાસના "ચાહકો" ના આશ્ચર્યની કલ્પના કરો. ત્યારથી, આ ઘટનાને "એમ્પેમ્બા પેરાડોક્સ" કહેવામાં આવે છે.

જો કે, આજની તારીખમાં “એમ્પેમ્બા પેરાડોક્સ”ને સમજાવતી કોઈ સુસંગત સૈદ્ધાંતિક પૂર્વધારણા નથી. તે સ્પષ્ટ નથી કે કયા બાહ્ય પરિબળો, પાણીની રાસાયણિક રચના, તેમાં ઓગળેલા વાયુઓ અને ખનિજોની હાજરી, વિવિધ તાપમાને પ્રવાહીના ઠંડું થવાના દરને પ્રભાવિત કરે છે. “એમ્પેમ્બા ઈફેક્ટ”નો વિરોધાભાસ એ છે કે તે I. ન્યૂટન દ્વારા શોધાયેલ કાયદાઓમાંથી એકનો વિરોધાભાસ કરે છે, જે જણાવે છે કે પાણીનો ઠંડકનો સમય પ્રવાહી અને પર્યાવરણ વચ્ચેના તાપમાનના તફાવતના સીધા પ્રમાણસર છે. અને જો અન્ય તમામ પ્રવાહી સંપૂર્ણપણે આ કાયદાનું પાલન કરે છે, તો પછી કેટલાક કિસ્સાઓમાં પાણી અપવાદ છે.

શા માટે ગરમ પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે?ટી

ઠંડા પાણી કરતાં ગરમ ​​પાણી શા માટે ઝડપથી થીજી જાય છે તેની ઘણી આવૃત્તિઓ છે. મુખ્ય છે:

• ગરમ પાણી ઝડપથી બાષ્પીભવન થાય છે, જ્યારે તેનું પ્રમાણ ઘટે છે, અને પ્રવાહીનો નાનો જથ્થો ઝડપથી ઠંડુ થાય છે - જ્યારે પાણીને + 100°C થી 0°C સુધી ઠંડુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે વાતાવરણીય દબાણમાં વોલ્યુમેટ્રિક નુકસાન 15% સુધી પહોંચે છે;
• તાપમાનનો તફાવત જેટલો મોટો, તાપમાનનો તફાવત જેટલો મોટો, પ્રવાહી અને પર્યાવરણ વચ્ચે ગરમીના વિનિમયની તીવ્રતા વધારે છે, તેથી ઉકળતા પાણીની ગરમીનું નુકસાન ઝડપથી થાય છે;
• જ્યારે ગરમ પાણી ઠંડુ થાય છે, ત્યારે તેની સપાટી પર બરફનો પોપડો રચાય છે, જે પ્રવાહીને સંપૂર્ણપણે થીજવા અને બાષ્પીભવન થવાથી અટકાવે છે;
• પાણીના ઊંચા તાપમાને, સંવહન મિશ્રણ થાય છે, ઠંડું થવાનો સમય ઘટાડે છે;
• પાણીમાં ઓગળેલા વાયુઓ થીજબિંદુને ઓછું કરે છે, સ્ફટિકની રચના માટે ઊર્જા દૂર કરે છે - ગરમ પાણીમાં કોઈ ઓગળેલા વાયુઓ નથી.

આ તમામ પરિસ્થિતિઓનું વારંવાર પ્રાયોગિક પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું છે. ખાસ કરીને, જર્મન વૈજ્ઞાનિક ડેવિડ ઔરબેચે શોધ્યું કે ગરમ પાણીનું સ્ફટિકીકરણ તાપમાન ઠંડા પાણી કરતા થોડું વધારે છે, જે અગાઉના પાણીને વધુ ઝડપથી સ્થિર કરવાનું શક્ય બનાવે છે. જો કે, પાછળથી તેમના પ્રયોગોની ટીકા કરવામાં આવી હતી અને ઘણા વૈજ્ઞાનિકોને ખાતરી છે કે “એમ્પેમ્બા ઇફેક્ટ”, જે નક્કી કરે છે કે કયું પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે - ગરમ કે ઠંડુ, માત્ર અમુક પરિસ્થિતિઓમાં જ પુનઃઉત્પાદન કરી શકાય છે, જેની કોઈએ શોધ કરી નથી અને હજી સુધી સ્પષ્ટ કર્યું નથી.

1963 માં, ઇરાસ્ટો એમપેમ્બા નામના તાંઝાનિયાના એક શાળાના છોકરાએ તેના શિક્ષકને એક મૂર્ખ પ્રશ્ન પૂછ્યો - શા માટે તેના ફ્રીઝરમાં ગરમ ​​આઈસ્ક્રીમ ઠંડા કરતાં વધુ ઝડપથી જામી ગયો?

તાંઝાનિયામાં મગામ્બી હાઈસ્કૂલમાં વિદ્યાર્થી તરીકે, એરાસ્ટો એમ્પેમ્બાએ રસોઈયા તરીકે વ્યવહારુ કામ કર્યું. તેને હોમમેઇડ આઈસ્ક્રીમ બનાવવાની જરૂર હતી - દૂધ ઉકાળો, તેમાં ખાંડ ઓગાળો, તેને ઓરડાના તાપમાને ઠંડુ કરો અને પછી તેને ફ્રીઝ કરવા માટે રેફ્રિજરેટરમાં મૂકો. દેખીતી રીતે, Mpemba ખાસ કરીને મહેનતું વિદ્યાર્થી ન હતો અને કાર્યનો પ્રથમ ભાગ પૂર્ણ કરવામાં વિલંબ થયો. પાઠના અંત સુધીમાં તે તૈયાર નહીં થાય તે ડરથી, તેણે રેફ્રિજરેટરમાં હજી પણ ગરમ દૂધ મૂક્યું. તેના આશ્ચર્યની વાત એ છે કે તે આપેલ ટેક્નોલોજી અનુસાર તૈયાર કરેલા તેના સાથીઓના દૂધ કરતાં પણ વહેલું થીજી ગયું હતું.

તે સ્પષ્ટતા માટે ભૌતિકશાસ્ત્રના શિક્ષક તરફ વળ્યો, પરંતુ તે વિદ્યાર્થી પર માત્ર હસ્યા અને નીચેની વાત કહી: "આ સાર્વત્રિક ભૌતિકશાસ્ત્ર નથી, પરંતુ એમપેમ્બા ભૌતિકશાસ્ત્ર છે." આ પછી, એમપેમ્બાએ માત્ર દૂધ સાથે જ નહીં, પરંતુ સામાન્ય પાણી સાથે પણ પ્રયોગ કર્યો.

કોઈ પણ સંજોગોમાં, મકવાવા માધ્યમિક શાળામાં પહેલેથી જ એક વિદ્યાર્થી તરીકે, તેણે દાર એસ સલામમાં યુનિવર્સિટી કોલેજના પ્રોફેસર ડેનિસ ઓસ્બોર્નને (વિદ્યાર્થીઓને ભૌતિકશાસ્ત્ર પર પ્રવચન આપવા માટે શાળાના ડિરેક્ટર દ્વારા આમંત્રિત કર્યા) ખાસ કરીને પાણી વિશે પૂછ્યું: “જો તમે લો પાણીના સમાન જથ્થાવાળા બે સમાન કન્ટેનર જેથી તેમાંના એકમાં પાણીનું તાપમાન 35 ° સે હોય, અને બીજામાં - 100 ° સે, અને તેને ફ્રીઝરમાં મૂકો, પછી બીજામાં પાણી ઝડપથી થીજી જશે. કેમ?" ઓસ્બોર્નને આ મુદ્દામાં રસ પડ્યો અને ટૂંક સમયમાં, 1969 માં, તેણે અને એમપેમ્બાએ ભૌતિકશાસ્ત્ર શિક્ષણ જર્નલમાં તેમના પ્રયોગોના પરિણામો પ્રકાશિત કર્યા. ત્યારથી, તેઓએ શોધેલી અસરને Mpemba અસર કહેવામાં આવે છે.

શું તમને એ જાણવામાં રસ છે કે આવું કેમ થાય છે? થોડા વર્ષો પહેલા, વૈજ્ઞાનિકો આ ઘટનાને સમજાવવામાં સફળ થયા હતા ...

Mpemba Effect (Mpemba Paradox) એ એક વિરોધાભાસ છે જે જણાવે છે કે અમુક પરિસ્થિતિઓમાં ગરમ ​​પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે, જો કે તે ઠંડું કરવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન ઠંડા પાણીના તાપમાનને પસાર કરે છે. આ વિરોધાભાસ એ પ્રાયોગિક હકીકત છે જે સામાન્ય વિચારોનો વિરોધાભાસ કરે છે, જે મુજબ, સમાન પરિસ્થિતિઓમાં, વધુ ગરમ શરીરને સમાન તાપમાને ઠંડુ થવા કરતાં ઓછા ગરમ શરીરને ચોક્કસ તાપમાને ઠંડુ થવામાં વધુ સમય લાગે છે.

આ ઘટના એરિસ્ટોટલ, ફ્રાન્સિસ બેકોન અને રેને ડેસકાર્ટેસ દ્વારા તેમના સમયમાં નોંધવામાં આવી હતી. અત્યાર સુધી, આ વિચિત્ર અસરને કેવી રીતે સમજાવવી તે કોઈને બરાબર ખબર નથી. વૈજ્ઞાનિકો પાસે એક જ સંસ્કરણ નથી, જો કે ત્યાં ઘણા છે. આ બધું ગરમ ​​અને ઠંડા પાણીના ગુણધર્મોમાં તફાવત વિશે છે, પરંતુ તે હજી સુધી સ્પષ્ટ નથી કે આ કિસ્સામાં કયા ગુણધર્મો ભૂમિકા ભજવે છે: સુપરકૂલિંગ, બાષ્પીભવન, બરફની રચના, સંવહન અથવા પાણી પર લિક્વિફાઇડ વાયુઓની અસરમાં તફાવત. વિવિધ તાપમાન. Mpemba અસરનો વિરોધાભાસ એ છે કે જે સમય દરમિયાન શરીર આસપાસના તાપમાને ઠંડુ થાય છે તે સમય આ શરીર અને પર્યાવરણ વચ્ચેના તાપમાનના તફાવતના પ્રમાણસર હોવો જોઈએ. આ કાયદો ન્યૂટન દ્વારા સ્થાપિત કરવામાં આવ્યો હતો અને ત્યારથી વ્યવહારમાં ઘણી વખત તેની પુષ્ટિ કરવામાં આવી છે. આ અસરમાં, 100 ° સે તાપમાન સાથેનું પાણી 35 ° સે તાપમાનવાળા પાણીની સમાન માત્રા કરતાં 0 ° સે તાપમાને ઝડપથી ઠંડુ થાય છે.

ત્યારથી, વિવિધ સંસ્કરણો વ્યક્ત કરવામાં આવ્યા છે, જેમાંથી એક નીચે મુજબ છે: ગરમ પાણીનો ભાગ પ્રથમ સરળ રીતે બાષ્પીભવન થાય છે, અને પછી, જ્યારે તે ઓછું રહે છે, ત્યારે પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે. આ સંસ્કરણ, તેની સરળતાને લીધે, સૌથી વધુ લોકપ્રિય બન્યું, પરંતુ વૈજ્ઞાનિકોને સંપૂર્ણપણે સંતુષ્ટ ન કર્યું.

હવે સિંગાપોરની નાન્યાંગ ટેક્નોલોજિકલ યુનિવર્સિટીના સંશોધકોની એક ટીમ, રસાયણશાસ્ત્રી ઝી ઝાંગની આગેવાની હેઠળ, કહે છે કે તેઓએ વર્ષો જૂના રહસ્યને ઉકેલી લીધું છે કે શા માટે ગરમ પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે. જેમ કે ચાઇનીઝ નિષ્ણાતોએ શોધી કાઢ્યું છે, રહસ્ય પાણીના અણુઓ વચ્ચે હાઇડ્રોજન બોન્ડમાં સંગ્રહિત ઊર્જાની માત્રામાં રહેલું છે.

જેમ તમે જાણો છો, પાણીના અણુઓમાં એક ઓક્સિજન અણુ અને બે હાઇડ્રોજન પરમાણુ સહસંયોજક બોન્ડ દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવે છે, જે કણોના સ્તરે ઇલેક્ટ્રોનના વિનિમય જેવા દેખાય છે. અન્ય જાણીતી હકીકત એ છે કે હાઇડ્રોજન અણુઓ પડોશી અણુઓમાંથી ઓક્સિજન પરમાણુ તરફ આકર્ષાય છે - હાઇડ્રોજન બોન્ડ રચાય છે.

તે જ સમયે, પાણીના અણુઓ સામાન્ય રીતે એકબીજાને ભગાડે છે. સિંગાપોરના વિજ્ઞાનીઓએ નોંધ્યું: પાણી જેટલું ગરમ ​​થાય છે, તેટલા પ્રવાહીના પરમાણુઓ વચ્ચેનું અંતર પ્રતિકૂળ દળોમાં વધારો થવાને કારણે. પરિણામે, હાઇડ્રોજન બોન્ડ ખેંચાય છે અને તેથી વધુ ઊર્જા સંગ્રહિત કરે છે. જ્યારે પાણી ઠંડુ થાય છે ત્યારે આ ઉર્જા બહાર આવે છે - પરમાણુઓ એકબીજાની નજીક જાય છે. અને ઊર્જાનું પ્રકાશન, જેમ કે જાણીતું છે, એટલે ઠંડક.

અહીં વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા આગળ મૂકવામાં આવેલી ધારણાઓ છે:

બાષ્પીભવન

કન્ટેનરમાંથી ગરમ પાણી ઝડપથી બાષ્પીભવન થાય છે, જેનાથી તેનું પ્રમાણ ઘટે છે અને સમાન તાપમાને પાણીની નાની માત્રા ઝડપથી થીજી જાય છે. 100 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ગરમ કરવામાં આવેલું પાણી જ્યારે 0 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ઠંડુ થાય છે ત્યારે તેના 16% દળ ગુમાવે છે. બાષ્પીભવનની અસર ડબલ અસર છે. સૌ પ્રથમ, ઠંડક માટે જરૂરી પાણીનો જથ્થો ઘટે છે. અને બીજું, બાષ્પીભવનને કારણે તેનું તાપમાન ઘટે છે.

તાપમાન તફાવત

હકીકત એ છે કે ગરમ પાણી અને ઠંડી હવા વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત વધારે છે, તેથી, આ કિસ્સામાં ગરમીનું વિનિમય વધુ તીવ્ર છે અને ગરમ પાણી ઝડપથી ઠંડુ થાય છે.

હાયપોથર્મિયા
જ્યારે પાણી 0°C થી નીચે ઠંડુ થાય છે ત્યારે તે હંમેશા થીજી જતું નથી. કેટલીક પરિસ્થિતિઓમાં, તે ઠંડું કરતા ઓછા તાપમાને પ્રવાહી રહેવાનું ચાલુ રાખીને સુપરકૂલિંગમાંથી પસાર થઈ શકે છે. કેટલાક કિસ્સાઓમાં, પાણી -20 ° સે તાપમાને પણ પ્રવાહી રહી શકે છે. આ અસરનું કારણ એ છે કે પ્રથમ બરફના સ્ફટિકો બનવાનું શરૂ કરવા માટે, સ્ફટિક રચના કેન્દ્રોની જરૂર છે. જો તેઓ પ્રવાહી પાણીમાં હાજર ન હોય, તો જ્યાં સુધી તાપમાન એટલું ઘટતું નથી કે સ્ફટિકો સ્વયંભૂ બનવાનું શરૂ કરે ત્યાં સુધી સુપરકૂલિંગ ચાલુ રહેશે. જ્યારે તેઓ સુપરકૂલ્ડ લિક્વિડમાં બનવાનું શરૂ કરે છે, ત્યારે તેઓ ઝડપથી વધવા લાગશે, સ્લશ બરફ બનાવશે, જે બરફ બનાવવા માટે જામી જશે. ગરમ પાણી હાયપોથર્મિયા માટે સૌથી વધુ સંવેદનશીલ છે કારણ કે તેને ગરમ કરવાથી ઓગળેલા વાયુઓ અને પરપોટા દૂર થાય છે, જે બદલામાં બરફના સ્ફટિકોની રચના માટે કેન્દ્ર તરીકે કામ કરી શકે છે. હાયપોથર્મિયા શા માટે ગરમ પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે? ઠંડા પાણીના કિસ્સામાં જે સુપરકૂલ્ડ નથી, નીચે મુજબ થાય છે: તેની સપાટી પર બરફનો પાતળો પડ રચાય છે, જે પાણી અને ઠંડી હવા વચ્ચે ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કામ કરે છે અને તેથી વધુ બાષ્પીભવન અટકાવે છે. આ કિસ્સામાં બરફના સ્ફટિકોની રચનાનો દર ઓછો હશે. સુપરકૂલિંગને આધિન ગરમ પાણીના કિસ્સામાં, સુપરકૂલ્ડ પાણીમાં બરફનું રક્ષણાત્મક સપાટીનું સ્તર હોતું નથી. તેથી, તે ખુલ્લા ટોચ દ્વારા ખૂબ ઝડપથી ગરમી ગુમાવે છે. જ્યારે સુપરકૂલિંગ પ્રક્રિયા સમાપ્ત થાય છે અને પાણી થીજી જાય છે, ત્યારે વધુ ગરમી નષ્ટ થાય છે અને તેથી વધુ બરફ બને છે. આ અસરના ઘણા સંશોધકો એમપેમ્બા અસરના કિસ્સામાં હાયપોથર્મિયાને મુખ્ય પરિબળ માને છે.
સંવહન

ઠંડુ પાણી ઉપરથી થીજવાનું શરૂ કરે છે, જેનાથી ગરમીના કિરણોત્સર્ગ અને સંવહનની પ્રક્રિયાઓ વધુ ખરાબ થાય છે, અને તેથી ગરમીનું નુકશાન થાય છે, જ્યારે ગરમ પાણી નીચેથી થીજી જવા લાગે છે. આ અસર પાણીની ઘનતામાં વિસંગતતા દ્વારા સમજાવવામાં આવી છે. પાણીની મહત્તમ ઘનતા 4°C છે. જો તમે પાણીને 4°C સુધી ઠંડુ કરો અને તેને નીચા તાપમાનવાળા વાતાવરણમાં મૂકો, તો પાણીની સપાટીનું સ્તર ઝડપથી જામી જશે. કારણ કે આ પાણી 4 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર પાણી કરતાં ઓછું ગાઢ છે, તે સપાટી પર રહેશે, એક પાતળું ઠંડું પડ બનાવશે. આ પરિસ્થિતિઓમાં, થોડા જ સમયમાં પાણીની સપાટી પર બરફનું પાતળું પડ રચાય છે, પરંતુ બરફનો આ સ્તર ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કામ કરશે, જે પાણીના નીચેના સ્તરોને સુરક્ષિત કરશે, જે 4 ° સે તાપમાને રહેશે. . તેથી, વધુ ઠંડક પ્રક્રિયા ધીમી હશે. ગરમ પાણીના કિસ્સામાં, પરિસ્થિતિ સંપૂર્ણપણે અલગ છે. બાષ્પીભવન અને તાપમાનના વધુ તફાવતને કારણે પાણીની સપાટીનું સ્તર વધુ ઝડપથી ઠંડું થશે. ઉપરાંત, ઠંડા પાણીના સ્તરો ગરમ પાણીના સ્તરો કરતાં વધુ ગીચ હોય છે, તેથી ઠંડા પાણીનું સ્તર નીચે ડૂબી જશે, જે ગરમ પાણીના સ્તરને સપાટી પર લાવશે. પાણીનું આ પરિભ્રમણ તાપમાનમાં ઝડપી ઘટાડો સુનિશ્ચિત કરે છે. પરંતુ શા માટે આ પ્રક્રિયા સંતુલન બિંદુ સુધી પહોંચતી નથી? સંવહનના દૃષ્ટિકોણથી એમપેમ્બા અસરને સમજાવવા માટે, એવું માનવું જરૂરી છે કે પાણીના ઠંડા અને ગરમ સ્તરો અલગ પડે છે અને સરેરાશ પાણીનું તાપમાન 4 ° સે નીચે જાય પછી સંવહન પ્રક્રિયા પોતે જ ચાલુ રહે છે. જો કે, આ પૂર્વધારણાને સમર્થન આપવા માટે કોઈ પ્રાયોગિક પુરાવા નથી કે પાણીના ઠંડા અને ગરમ સ્તરો સંવહનની પ્રક્રિયા દ્વારા અલગ પડે છે.

પાણીમાં ઓગળેલા વાયુઓ

પાણીમાં હંમેશા ઓગળેલા વાયુઓ હોય છે - ઓક્સિજન અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ. આ વાયુઓમાં પાણીના થીજબિંદુને ઘટાડવાની ક્ષમતા હોય છે. જ્યારે પાણી ગરમ થાય છે, ત્યારે આ વાયુઓ પાણીમાંથી મુક્ત થાય છે કારણ કે ઊંચા તાપમાને પાણીમાં તેમની દ્રાવ્યતા ઓછી હોય છે. તેથી, જ્યારે ગરમ પાણી ઠંડુ થાય છે, ત્યારે તેમાં હંમેશા ગરમ ન કરેલા ઠંડા પાણી કરતાં ઓછા ઓગળેલા વાયુઓ હોય છે. તેથી, ગરમ પાણીનું ઠંડું બિંદુ વધારે છે અને તે ઝડપથી થીજી જાય છે. આ પરિબળને કેટલીકવાર Mpemba અસર સમજાવવામાં મુખ્ય તરીકે ગણવામાં આવે છે, જો કે આ હકીકતની પુષ્ટિ કરતો કોઈ પ્રાયોગિક ડેટા નથી.

થર્મલ વાહકતા

જ્યારે નાના કન્ટેનરમાં રેફ્રિજરેટરના કમ્પાર્ટમેન્ટ ફ્રીઝરમાં પાણી મૂકવામાં આવે ત્યારે આ મિકેનિઝમ નોંધપાત્ર ભૂમિકા ભજવી શકે છે. આ પરિસ્થિતિઓમાં, એવું જોવામાં આવ્યું છે કે ગરમ પાણીનો કન્ટેનર નીચે ફ્રીઝરમાં બરફને ઓગળે છે, જેનાથી ફ્રીઝરની દીવાલ અને થર્મલ વાહકતા સાથે થર્મલ સંપર્કમાં સુધારો થાય છે. પરિણામે, ગરમ પાણીના કન્ટેનરમાંથી ગરમી ઠંડા કરતાં વધુ ઝડપથી દૂર કરવામાં આવે છે. બદલામાં, ઠંડા પાણી સાથેનો કન્ટેનર નીચેનો બરફ ઓગળતો નથી. આ તમામ (તેમજ અન્ય) પરિસ્થિતિઓનો ઘણા પ્રયોગોમાં અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો, પરંતુ પ્રશ્નનો એક અસ્પષ્ટ જવાબ - તેમાંથી જે એમપેમ્બા અસરના 100% પ્રજનનની ખાતરી કરે છે - તે ક્યારેય પ્રાપ્ત થયું ન હતું. ઉદાહરણ તરીકે, 1995 માં, જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી ડેવિડ ઓરબેચે આ અસર પર સુપરકૂલિંગ પાણીની અસરનો અભ્યાસ કર્યો. તેણે શોધ્યું કે ગરમ પાણી, સુપરકૂલ્ડ સ્થિતિમાં પહોંચે છે, ઠંડા પાણી કરતાં વધુ તાપમાને થીજી જાય છે, અને તેથી તે પછીના કરતાં વધુ ઝડપી. પરંતુ ઠંડુ પાણી ગરમ પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી સુપરકૂલ્ડ સ્થિતિમાં પહોંચે છે, જેનાથી અગાઉના અંતરને વળતર મળે છે. વધુમાં, Auerbach ના પરિણામો અગાઉના ડેટાનો વિરોધાભાસ કરે છે કે ઓછા સ્ફટિકીકરણ કેન્દ્રોને કારણે ગરમ પાણી વધુ સુપરકૂલિંગ પ્રાપ્ત કરવામાં સક્ષમ હતું. જ્યારે પાણીને ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેમાં ઓગળેલા વાયુઓ તેમાંથી દૂર કરવામાં આવે છે, અને જ્યારે તેને ઉકાળવામાં આવે છે, ત્યારે તેમાં ઓગળેલા કેટલાક ક્ષાર અવક્ષેપ કરે છે. હમણાં માટે, ફક્ત એક જ વસ્તુ કહી શકાય: આ અસરનું પ્રજનન નોંધપાત્ર રીતે તે પરિસ્થિતિઓ પર આધારિત છે કે જેના હેઠળ પ્રયોગ હાથ ધરવામાં આવે છે. ચોક્કસ કારણ કે તે હંમેશા પુનઃઉત્પાદિત થતું નથી.

પરંતુ જેમ તેઓ કહે છે, સૌથી સંભવિત કારણ.

જેમ કે રસાયણશાસ્ત્રીઓ તેમના લેખમાં લખે છે, જે પ્રીપ્રિન્ટ વેબસાઇટ arXiv.org પર મળી શકે છે, હાઇડ્રોજન બોન્ડ ઠંડા પાણી કરતાં ગરમ ​​પાણીમાં વધુ મજબૂત હોય છે. આમ, તે તારણ આપે છે કે ગરમ પાણીના હાઇડ્રોજન બોન્ડમાં વધુ ઉર્જાનો સંગ્રહ થાય છે, જેનો અર્થ છે કે જ્યારે તે શૂન્યથી નીચે તાપમાને ઠંડુ થાય છે ત્યારે તેમાંથી વધુ મુક્ત થાય છે. આ કારણોસર, સખ્તાઇ ઝડપથી થાય છે.

આજની તારીખે, વૈજ્ઞાનિકોએ આ રહસ્ય માત્ર સૈદ્ધાંતિક રીતે ઉકેલ્યું છે. જ્યારે તેઓ તેમના સંસ્કરણના ખાતરીપૂર્વકના પુરાવા રજૂ કરે છે, ત્યારે ઠંડા પાણી કરતાં ગરમ ​​પાણી શા માટે ઝડપથી થીજી જાય છે તે પ્રશ્નને બંધ ગણી શકાય.

Mpemba અસર(એમપેમ્બાનો વિરોધાભાસ) - એક વિરોધાભાસ જે જણાવે છે કે કેટલીક પરિસ્થિતિઓમાં ગરમ ​​પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે, જો કે તે ઠંડું થવાની પ્રક્રિયામાં ઠંડા પાણીના તાપમાનને પસાર કરવું આવશ્યક છે. આ વિરોધાભાસ એ પ્રાયોગિક હકીકત છે જે સામાન્ય વિચારોનો વિરોધાભાસ કરે છે, જે મુજબ, સમાન પરિસ્થિતિઓમાં, વધુ ગરમ શરીરને સમાન તાપમાને ઠંડુ થવા કરતાં ઓછા ગરમ શરીરને ચોક્કસ તાપમાને ઠંડુ થવામાં વધુ સમય લાગે છે.

આ ઘટના એક સમયે એરિસ્ટોટલ, ફ્રાન્સિસ બેકોન અને રેને ડેસકાર્ટેસ દ્વારા નોંધવામાં આવી હતી, પરંતુ તે માત્ર 1963 માં જ હતું કે તાંઝાનિયાના શાળાના છોકરા એરાસ્ટો એમપેમ્બાએ શોધી કાઢ્યું હતું કે ગરમ આઈસ્ક્રીમ મિશ્રણ ઠંડા કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે.

તાંઝાનિયામાં મગામ્બી હાઈસ્કૂલમાં વિદ્યાર્થી તરીકે, એરાસ્ટો એમ્પેમ્બાએ રસોઈયા તરીકે વ્યવહારુ કામ કર્યું. તેને હોમમેઇડ આઈસ્ક્રીમ બનાવવાની જરૂર હતી - દૂધ ઉકાળો, તેમાં ખાંડ ઓગાળો, તેને ઓરડાના તાપમાને ઠંડુ કરો અને પછી તેને ફ્રીઝ કરવા માટે રેફ્રિજરેટરમાં મૂકો. દેખીતી રીતે, Mpemba ખાસ કરીને મહેનતું વિદ્યાર્થી ન હતો અને કાર્યનો પ્રથમ ભાગ પૂર્ણ કરવામાં વિલંબ થયો. પાઠના અંત સુધીમાં તે તૈયાર નહીં થાય તે ડરથી, તેણે રેફ્રિજરેટરમાં હજી પણ ગરમ દૂધ મૂક્યું. તેના આશ્ચર્યની વાત એ છે કે તે આપેલ ટેક્નોલોજી અનુસાર તૈયાર કરેલા તેના સાથીઓના દૂધ કરતાં પણ વહેલું થીજી ગયું હતું.

આ પછી, એમપેમ્બાએ માત્ર દૂધ સાથે જ નહીં, પરંતુ સામાન્ય પાણી સાથે પણ પ્રયોગ કર્યો. કોઈ પણ સંજોગોમાં, મકવાવા માધ્યમિક શાળામાં પહેલેથી જ એક વિદ્યાર્થી તરીકે, તેણે દાર એસ સલામમાં યુનિવર્સિટી કોલેજના પ્રોફેસર ડેનિસ ઓસ્બોર્નને (વિદ્યાર્થીઓને ભૌતિકશાસ્ત્ર પર પ્રવચન આપવા માટે શાળાના ડિરેક્ટર દ્વારા આમંત્રિત કર્યા) ખાસ કરીને પાણી વિશે પૂછ્યું: “જો તમે લો પાણીના સમાન જથ્થાવાળા બે સમાન કન્ટેનર જેથી તેમાંના એકમાં પાણીનું તાપમાન 35 ° સે હોય, અને બીજામાં - 100 ° સે, અને તેને ફ્રીઝરમાં મૂકો, પછી બીજામાં પાણી ઝડપથી થીજી જશે. શા માટે? ઓસ્બોર્નને આ મુદ્દામાં રસ પડ્યો અને ટૂંક સમયમાં, 1969 માં, તેણે અને એમપેમ્બાએ ભૌતિકશાસ્ત્ર શિક્ષણ જર્નલમાં તેમના પ્રયોગોના પરિણામો પ્રકાશિત કર્યા. ત્યારથી, તેઓએ શોધેલી અસર કહેવામાં આવે છે Mpemba અસર.

અત્યાર સુધી, આ વિચિત્ર અસરને કેવી રીતે સમજાવવી તે કોઈને બરાબર ખબર નથી. વૈજ્ઞાનિકો પાસે એક જ સંસ્કરણ નથી, જો કે ત્યાં ઘણા છે. આ બધું ગરમ ​​અને ઠંડા પાણીના ગુણધર્મોમાં તફાવત વિશે છે, પરંતુ તે હજી સુધી સ્પષ્ટ નથી કે આ કિસ્સામાં કયા ગુણધર્મો ભૂમિકા ભજવે છે: સુપરકૂલિંગ, બાષ્પીભવન, બરફની રચના, સંવહન અથવા પાણી પર લિક્વિફાઇડ વાયુઓની અસરમાં તફાવત. વિવિધ તાપમાન.

Mpemba અસરનો વિરોધાભાસ એ છે કે જે સમય દરમિયાન શરીર આસપાસના તાપમાને ઠંડુ થાય છે તે સમય આ શરીર અને પર્યાવરણ વચ્ચેના તાપમાનના તફાવતના પ્રમાણસર હોવો જોઈએ. આ કાયદો ન્યૂટન દ્વારા સ્થાપિત કરવામાં આવ્યો હતો અને ત્યારથી વ્યવહારમાં ઘણી વખત તેની પુષ્ટિ કરવામાં આવી છે. આ અસરમાં, 100 ° સે તાપમાન સાથેનું પાણી 35 ° સે તાપમાનવાળા પાણીની સમાન માત્રા કરતાં 0 ° સે તાપમાને ઝડપથી ઠંડુ થાય છે.

જો કે, આ હજુ સુધી વિરોધાભાસને સૂચિત કરતું નથી, કારણ કે Mpemba અસરને જાણીતા ભૌતિકશાસ્ત્રના માળખામાં સમજાવી શકાય છે. Mpemba અસર માટે અહીં કેટલાક સ્પષ્ટતા છે:

બાષ્પીભવન

કન્ટેનરમાંથી ગરમ પાણી ઝડપથી બાષ્પીભવન થાય છે, જેનાથી તેનું પ્રમાણ ઘટે છે અને સમાન તાપમાને પાણીની નાની માત્રા ઝડપથી થીજી જાય છે. 100 સે. સુધી ગરમ કરવામાં આવેલું પાણી જ્યારે 0 સે. સુધી ઠંડુ થાય છે ત્યારે તેના 16% દળ ગુમાવે છે.

બાષ્પીભવનની અસર ડબલ અસર છે. સૌ પ્રથમ, ઠંડક માટે જરૂરી પાણીનો જથ્થો ઘટે છે. અને બીજું, તાપમાન એ હકીકતને કારણે ઘટે છે કે પાણીના તબક્કામાંથી વરાળના તબક્કામાં સંક્રમણની બાષ્પીભવનની ગરમીમાં ઘટાડો થાય છે.

તાપમાન તફાવત

હકીકત એ છે કે ગરમ પાણી અને ઠંડી હવા વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત વધારે છે, તેથી આ કિસ્સામાં ગરમીનું વિનિમય વધુ તીવ્ર છે અને ગરમ પાણી ઝડપથી ઠંડુ થાય છે.

હાયપોથર્મિયા

જ્યારે પાણી 0 સે ની નીચે ઠંડુ થાય છે, ત્યારે તે હંમેશા સ્થિર થતું નથી. કેટલીક પરિસ્થિતિઓમાં, તે ઠંડું કરતા ઓછા તાપમાને પ્રવાહી રહેવાનું ચાલુ રાખીને સુપરકૂલિંગમાંથી પસાર થઈ શકે છે. કેટલાક કિસ્સાઓમાં, પાણી -20 સે તાપમાને પણ પ્રવાહી રહી શકે છે.

આ અસરનું કારણ એ છે કે પ્રથમ બરફના સ્ફટિકો બનવાનું શરૂ કરવા માટે, સ્ફટિક રચના કેન્દ્રોની જરૂર છે. જો તેઓ પ્રવાહી પાણીમાં હાજર ન હોય, તો જ્યાં સુધી તાપમાન એટલું ઘટતું નથી કે સ્ફટિકો સ્વયંભૂ બનવાનું શરૂ કરે ત્યાં સુધી સુપરકૂલિંગ ચાલુ રહેશે. જ્યારે તેઓ સુપરકૂલ્ડ લિક્વિડમાં બનવાનું શરૂ કરે છે, ત્યારે તેઓ ઝડપથી વધવા લાગશે, સ્લશ બરફ બનાવશે, જે બરફ બનાવવા માટે જામી જશે.

ગરમ પાણી હાયપોથર્મિયા માટે સૌથી વધુ સંવેદનશીલ છે કારણ કે તેને ગરમ કરવાથી ઓગળેલા વાયુઓ અને પરપોટા દૂર થાય છે, જે બદલામાં બરફના સ્ફટિકોની રચના માટે કેન્દ્ર તરીકે કામ કરી શકે છે.

હાયપોથર્મિયા શા માટે ગરમ પાણી ઝડપથી થીજી જાય છે? ઠંડા પાણીના કિસ્સામાં જે સુપરકૂલ્ડ નથી, નીચે મુજબ થાય છે. આ કિસ્સામાં, જહાજની સપાટી પર બરફનો પાતળો પડ બનશે. બરફનું આ સ્તર પાણી અને ઠંડી હવા વચ્ચેના અવાહક તરીકે કામ કરશે અને વધુ બાષ્પીભવન અટકાવશે. આ કિસ્સામાં બરફના સ્ફટિકોની રચનાનો દર ઓછો હશે. સુપરકૂલિંગને આધિન ગરમ પાણીના કિસ્સામાં, સુપરકૂલ્ડ પાણીમાં બરફનું રક્ષણાત્મક સપાટીનું સ્તર હોતું નથી. તેથી, તે ખુલ્લા ટોચ દ્વારા ખૂબ ઝડપથી ગરમી ગુમાવે છે.

જ્યારે સુપરકૂલિંગ પ્રક્રિયા સમાપ્ત થાય છે અને પાણી થીજી જાય છે, ત્યારે વધુ ગરમી નષ્ટ થાય છે અને તેથી વધુ બરફ બને છે.

આ અસરના ઘણા સંશોધકો એમપેમ્બા અસરના કિસ્સામાં હાયપોથર્મિયાને મુખ્ય પરિબળ માને છે.

સંવહન

ઠંડુ પાણી ઉપરથી થીજવાનું શરૂ કરે છે, જેનાથી ગરમીના કિરણોત્સર્ગ અને સંવહનની પ્રક્રિયાઓ વધુ ખરાબ થાય છે, અને તેથી ગરમીનું નુકશાન થાય છે, જ્યારે ગરમ પાણી નીચેથી થીજી જવા લાગે છે.

આ અસર પાણીની ઘનતામાં વિસંગતતા દ્વારા સમજાવવામાં આવી છે. પાણીની મહત્તમ ઘનતા 4 સે. પર હોય છે. જો તમે પાણીને 4 સે. સુધી ઠંડુ કરો અને તેને નીચા તાપમાને મૂકો, તો પાણીની સપાટીનું સ્તર ઝડપથી જામી જશે. કારણ કે આ પાણી 4 સે તાપમાને પાણી કરતાં ઓછું ગાઢ છે, તે સપાટી પર રહેશે, એક પાતળું ઠંડું પડ બનાવે છે. આ પરિસ્થિતિઓમાં, થોડા જ સમયમાં પાણીની સપાટી પર બરફનો પાતળો પડ બની જશે, પરંતુ બરફનો આ સ્તર ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કામ કરશે, જે પાણીના નીચલા સ્તરોને સુરક્ષિત કરશે, જે 4 સે તાપમાને રહેશે. તેથી, વધુ ઠંડક પ્રક્રિયા ધીમી થશે.

ગરમ પાણીના કિસ્સામાં, પરિસ્થિતિ સંપૂર્ણપણે અલગ છે. બાષ્પીભવન અને તાપમાનના વધુ તફાવતને કારણે પાણીની સપાટીનું સ્તર વધુ ઝડપથી ઠંડું થશે. વધુમાં, ઠંડા પાણીના સ્તરો ગરમ પાણીના સ્તરો કરતાં વધુ ગીચ હોય છે, તેથી ઠંડા પાણીનું સ્તર નીચે ડૂબી જશે, જે ગરમ પાણીના સ્તરને સપાટી પર વધારશે. પાણીનું આ પરિભ્રમણ તાપમાનમાં ઝડપી ઘટાડો સુનિશ્ચિત કરે છે.

પરંતુ શા માટે આ પ્રક્રિયા સંતુલન બિંદુ સુધી પહોંચતી નથી? સંવહનના આ દૃષ્ટિકોણથી Mpemba અસરને સમજાવવા માટે, એવું માનવું જરૂરી છે કે પાણીના ઠંડા અને ગરમ સ્તરો અલગ પડે છે અને પાણીનું સરેરાશ તાપમાન 4 સે ની નીચે જાય પછી સંવહન પ્રક્રિયા પોતે જ ચાલુ રહે છે.

જો કે, આ પૂર્વધારણાને સમર્થન આપવા માટે કોઈ પ્રાયોગિક પુરાવા નથી કે પાણીના ઠંડા અને ગરમ સ્તરો સંવહનની પ્રક્રિયા દ્વારા અલગ પડે છે.

પાણીમાં ઓગળેલા વાયુઓ

પાણીમાં હંમેશા ઓગળેલા વાયુઓ હોય છે - ઓક્સિજન અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ. આ વાયુઓમાં પાણીના થીજબિંદુને ઘટાડવાની ક્ષમતા હોય છે. જ્યારે પાણી ગરમ થાય છે, ત્યારે આ વાયુઓ પાણીમાંથી મુક્ત થાય છે કારણ કે ઊંચા તાપમાને પાણીમાં તેમની દ્રાવ્યતા ઓછી હોય છે. તેથી, જ્યારે ગરમ પાણી ઠંડુ થાય છે, ત્યારે તેમાં હંમેશા ગરમ ન કરેલા ઠંડા પાણી કરતાં ઓછા ઓગળેલા વાયુઓ હોય છે. તેથી, ગરમ પાણીનું ઠંડું બિંદુ વધારે છે અને તે ઝડપથી થીજી જાય છે. આ પરિબળને કેટલીકવાર Mpemba અસર સમજાવવામાં મુખ્ય તરીકે ગણવામાં આવે છે, જો કે આ હકીકતની પુષ્ટિ કરતો કોઈ પ્રાયોગિક ડેટા નથી.

થર્મલ વાહકતા

જ્યારે નાના કન્ટેનરમાં રેફ્રિજરેટરના કમ્પાર્ટમેન્ટ ફ્રીઝરમાં પાણી મૂકવામાં આવે ત્યારે આ મિકેનિઝમ નોંધપાત્ર ભૂમિકા ભજવી શકે છે. આ પરિસ્થિતિઓમાં, એવું જોવામાં આવ્યું છે કે ગરમ પાણીનો કન્ટેનર નીચે ફ્રીઝરમાં બરફને ઓગળે છે, જેનાથી ફ્રીઝરની દીવાલ અને થર્મલ વાહકતા સાથે થર્મલ સંપર્કમાં સુધારો થાય છે. પરિણામે, ગરમ પાણીના કન્ટેનરમાંથી ગરમી ઠંડા કરતાં વધુ ઝડપથી દૂર કરવામાં આવે છે. બદલામાં, ઠંડા પાણી સાથેનો કન્ટેનર નીચેનો બરફ ઓગળતો નથી.

આ તમામ (તેમજ અન્ય) પરિસ્થિતિઓનો ઘણા પ્રયોગોમાં અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો, પરંતુ પ્રશ્નનો સ્પષ્ટ જવાબ - તેમાંથી કોણ Mpemba અસરનું સો ટકા પ્રજનન પ્રદાન કરે છે - ક્યારેય પ્રાપ્ત થયું ન હતું.

ઉદાહરણ તરીકે, 1995 માં, જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી ડેવિડ ઓરબેચે આ અસર પર સુપરકૂલિંગ પાણીની અસરનો અભ્યાસ કર્યો. તેણે શોધ્યું કે ગરમ પાણી, સુપરકૂલ્ડ સ્થિતિમાં પહોંચે છે, ઠંડા પાણી કરતાં વધુ તાપમાને થીજી જાય છે, અને તેથી તે પછીના કરતાં વધુ ઝડપી. પરંતુ ઠંડુ પાણી ગરમ પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી સુપરકૂલ્ડ સ્થિતિમાં પહોંચે છે, જેનાથી અગાઉના અંતરને વળતર મળે છે.

વધુમાં, Auerbach ના પરિણામો અગાઉના ડેટાનો વિરોધાભાસ કરે છે કે ઓછા સ્ફટિકીકરણ કેન્દ્રોને કારણે ગરમ પાણી વધુ સુપરકૂલિંગ પ્રાપ્ત કરવામાં સક્ષમ હતું. જ્યારે પાણીને ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેમાં ઓગળેલા વાયુઓ તેમાંથી દૂર કરવામાં આવે છે, અને જ્યારે તેને ઉકાળવામાં આવે છે, ત્યારે તેમાં ઓગળેલા કેટલાક ક્ષાર અવક્ષેપ કરે છે.

હમણાં માટે, ફક્ત એક જ વસ્તુ કહી શકાય - આ અસરનું પ્રજનન નોંધપાત્ર રીતે તે પરિસ્થિતિઓ પર આધારિત છે કે જેના હેઠળ પ્રયોગ હાથ ધરવામાં આવે છે. ચોક્કસ કારણ કે તે હંમેશા પુનઃઉત્પાદિત થતું નથી.

ઓ.વી. મોસીન

સાહિત્યિકસ્ત્રોતો:

"ગરમ પાણી ઠંડા પાણી કરતાં વધુ ઝડપથી થીજી જાય છે. તે આવું શા માટે કરે છે?", ધ એમેચ્યોર સાયન્ટિસ્ટમાં જેર્લ વોકર, સાયન્ટિફિક અમેરિકન, વોલ્યુમ. 237, નં. 3, પૃષ્ઠ 246-257; સપ્ટેમ્બર, 1977.

"ધ ફ્રીઝિંગ ઓફ હોટ એન્ડ કોલ્ડ વોટર", જી.એસ. અમેરિકન જર્નલ ઑફ ફિઝિક્સમાં કેલ, વોલ્યુમ. 37, નં. 5, પૃષ્ઠ 564-565; મે, 1969.

"સુપરકૂલિંગ એન્ડ ધ એમપેમ્બા ઇફેક્ટ", ડેવિડ ઓરબેક, અમેરિકન જર્નલ ઓફ ફિઝિક્સમાં, વોલ્યુમ. 63, નં. 10, પૃષ્ઠ 882-885; ઑક્ટોબર 1995.

"ધ એમપેમ્બા ઇફેક્ટ: ધ ફ્રીઝિંગ ટાઈમ્સ ઓફ હોટ એન્ડ કોલ્ડ વોટર", ચાર્લ્સ એ. નાઈટ, અમેરિકન જર્નલ ઓફ ફિઝિક્સમાં, વોલ્યુમ. 64, નં. 5, પૃષ્ઠ 524; મે, 1996.