الماء الساخن يتجمد اسرع من الماء البارد والسبب ..؟!

لشرح ظاهرة مبيمبا Mpemba effect نحتاج إلى الاستعانة ببعض معلومات الديناميكا الحرارية (الحرارة الكامنة و الأنتروبيا) وكذلك بمعلومات عن عملية البلورة وعلم الزجاج والنظم العشوائية في الترتيب الذرى.

أولا: فى الماء الساخن تترتب جزيئات الماء H2O في نظام عشوائي يطلق عليه نظام قصير المدى SRO وكلما برد الماء تزيد كثافته حتى درجة حرارة 4 مئوية حيث تصل كثافته إلى 1.0 g/cm3، وهذا يعنى أن جزيئات الماء تتقارب إلى بعضها لتكوين سائل أكثر كثافة. ثم تقل قليلا حتى يتجلد الماء إلى ثلج عند درجة حرارة الصفر المئوي لتكون كثافته 0.915 g/cm3، ولهذا السبب يطفو الثلج على سطح الماء السائل عند درجة الصفر المئوي.

ثانيا: عندما يتحول الماء إلى ثلج بالطريقة المعتادة أي يترك لحاله ليبرد تدريجيا يتكون الثلج في شكل بلورى سداسى النظام فيما يطلق عليه عملية البلورة crystallization، وخلال عملية التبريد من ماء عشوائي النظام إلى ثلج مرتب النظام يطلق الجرام الواحد منه كمية من الطاقة ما يساوى حوالى 80 سعر حرارى لكل جرام (تفاعل طارد للحرارة exo-)، والعكس صحيح حيث يلزم نفس القدر من الطاقة لتحويل جرام من الثلج إلى جرام من الماء (تفاعل ماص للحرارةendo- ). ويطلق على هذه الكمية الحرارة الكامنةLatent heat of fusion or melting. وبسبب هذه الكمية من الطاقة المفقودة من الماء ليتحول إلى ثلج تبقى درجة الحرارة ثابتة بدون تغير حتى ينفذ كل الماء متحولا إلى ثلج ثم يأخذ الثلج في انخفاض حرارته حتى تصل إلى درجة حرارة الوسط المحيط.

ثالثا: المرجع الأساسي لأى من العمليات الحرارية هو علم الديناميكا الحرارية (وهو علم ليس هناك شك في فروضه وقوانينه فهي قوانين الحياة نفسها)، ويهمنا في هذا المقام القانون الثانى القائل "لا يمكن انتقال الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن بدون عمل شغل" وفى تعريف أخر "في أى نظام وخلال أى عمليه سوف تزداد أنتروبيا الكون- أي عشوائية النظام". وبالتالي تكون أنتروبيا الماء أعلى منها للثلج. عند ثبوت درجة الحرارة يتناسب التغير في الأنتروبيا تناسبا طرديا مع الحرارة الكامنة.
L ? T (Sa - Sb
حيث T درجة الحرارة و Sa,Sb الأنتروبيا للحالتين. وعلى وجه العموم تقل الأنتروبيا كلما انخفضت درجة الحرارة لتكون مساوية للصفر عند درجة حرارة الصفر المطلق بمقياس كلفن.

رابعا: التحولات الحرارية إما تحولات من الدرجة الأولى حيث يحتاج التحول من حالة إلى أخرى (التحول الطورى) إلى كمية الحرارة الكامنة (تحول الثلج إلى ماء أو وتحول الماء إلى بخار أو العكس). وإما تحولا من النوع الثانى حيث لا يحتاج التحول من حالة طوريه إلى أخرى إلى حرارة كامنة والأمثلة هنا غير مشهورة فمنها مثلا تحول المادة المغناطيسية إلى مادة غير مغناطيسية بالتسخين، تحول سائل مبرد عادى السلوك إلى حالة الميوعة الفائقة .
بعد هذه المقدمة الطويلة نوعا والتى كانت ضرورية لشرحنا الأتى لظاهرة مبيمبا Mpemba effect، أولا جزيئات الماء الساخن أكثر عشوائية من تلك فى الماء الأبرد حيث أن الأنتروبيا أكبر فى حالة الماء الساخن منها للماء الأبرد. الأنتروبيا للثلج أقل من تلك للماء عند نفس درجة الحرارة ولتكن الصفر المئوى وهذا هو مصدر الحرارة الكامنة كما أسلفنا. ألأن إذا وضعنا كوب من الماء الساخن داخل مبرد فسوف يعانى من عملية فيزيائية تسمى (تسقيه) التبريد السريع الفجائى Quenching وعليه تبقى الجزيئات المكونة للماء على حالتها من العشوائية وتستمر الأنتروبيا في الانخفاض طبيعيا وتكون الجزيئات المكونة للثلج في هذه الحالة عشوائية بدون أن تعانى من تحول طورى عند درجة حرارة الصفر فلا تستغرق زمن أثناء هذا التحول فهو تحول من النوع الثانى يمر التحول بسلاسة عبر درجة حرارة التجمد ولا نحتاج إلى حرارة كامنة. أما في حالة الماء البارد فإنه عندما يوضع داخل غرفة التبريد لا يعانى من عملية التسقيه فتأخذ درجة حرارته في الانخفاض تدريجيا وعند درجة حرارة الصفر يتحول الماء تدريجيا إلى ثلج مبلور وهذه العملية تستهلك زمن كبير تبعا لكمية الماء وهذا تحول من النوع الأول حيث تحتاج إلى حرارة كامنة مطرودة exo-. وطبعا يجب التنويه أن الحالتين قد يتواجدا في حالة تبريد الماء الساخن (وخاصة إن كان الكوب كبير) ولكن المحصلة سوف تكون لصالح الماء الساخن في سرعة (التجلد) تكون الثلج.