 |
24-08-2007, 16:28
|
|
|
|
חבר מתאריך: 07.01.05
הודעות: 5,939
|
|
|
כמה הערות
ראשית צריך לאמר שאפקט מפמבה אינו כללי. לא בכל מקרה שבו ניקח כמויות זהות של מים חמים וקרים ונקפיא אותם באותה סביבה, תהליך ההקפאה של המים החמים יהיה קצר יותר. את האפקט נראה רק בצרופים מסויימים של הפרמטרים של המים (איזה וכמה גזים ומלחים מומסים בהם), כלי הקיבול (צורה, וחומר), והסביבה (שטח המגע עם המים, טמפרטורת הסביבה, הלחות היחסית, וכו').
למה האפקט מפתיע? משום שאנחנו נוטים לחשוב על הטמפרטורה של המים, כאילו המים מתקררים כל הזמן באופן אחיד. אם זה היה המצב, הרי שמים חמים יותר היו מתקררים בהכרח לאט יותר, משום שקודם הם היו צריכים לרדת לטמפרטורה של המים הקרים, ומשם תהליך הקרור היה זהה. האפקט מלמד אותנו שבמקרים מסויימים החשיבה הזאת היא מטעה, והדינמיקה של הקרור יכולה להיות משמעותית מאד.
לפני שנגיע לדינמיקה, צריך להבחין בין ניסוי מדעי שמבודד באופן שיטתי פרמטרים שונים, לבין נסיון חובבני שבו מספר גורמים יכולים לפעול בו זמנית ויש קושי לקבוע מי מהם הוא החשוב.
אפשר למשל לטעון שכאשר המים חמים, האידוי מהם רב, ואז לא רק שהמסה של המים בכלי יורדת, אלא שתהליך האידוי עצמו, שצורך אנרגיה, הוא אמצעי קרור ומחיש לכן את הקפאון. זה בהחלט יכול להיות גורם משמעותי בפני עצמו, אבל קל לבודד את האפשרות הזאת פשוט על ידי זה ששמים את המים בכלי קיבול אטום. גם כשעושים את זה האפקט עוד קיים.
גורם נוסף הוא המגע בין כלי הקיבול לסביבה. אם למשל הכלי מונח על משטח שמכוסה קרח, אם המים חמים הם ימיסו את הקרח, והולכת החום מהמיכל תהפוך ליעילה יותר. מים קרים לא ימיסו את הקרח, והכלי יאבד חום לאט יותר. גם את הגורם הזה ניתן לבודד אם מקפידים להניח את הכלי על חומר מבודד או באמבט קרור.
הרכב המים - מלחים וגזים שמומסים בהם - יכול לקבוע את היעילות של הולכת החום. במים שחוממו יש פחות גזים ולפעמים יותר מלחים (בגלל אידוי), ולכן ההרכב יכול להיות שונה. קל יחסית לדאוג שתכולת המלחים של המים הקרים והחמים תהיה זהה, קצת קשה יותר לשלוט בכמות הגזים המומסים.
כעת נזכיר את חוק הקרור של ניוטון. אם יש גוף חם במגע עם סביבה קרה איבוד החום - כלומר כמות האנרגיה התרמית שהגוף החם יפלוט ביחידת זמן - פרופורציונאלי להפרש הטמפרטורות בין הגוף לסביבה. אם הפרש הטמפרטורות הוא 100 מעלות הקרור יהיה מהיר יותר לעומת קרור בהפרש טמפרטורות של 30 מעלות.
כעת לדינמיקה. כאשר מקררים מים, הקרור מתבצע מבחוץ פנימה, ולא באופן אחיד בכל נפח המים. הפרש הטמפרטורות בתוך הכלי יוצר הפרשי צפיפות, ואז בגלל הגרביטציה נוצרים זרמים - מים חמים שהם צפופים פחות נדחקים למעלה על ידי המים הקרים הצפופים יותר. כאשר המים חמים, יווצרו זרמים כאלה ביתר קלות, והשכבה העליונה של המים תהיה חמה מאד יחסית לשכבות תחתונות. הפרש הטמפרטורה עם הסביבה יהיה גדול יחסית, ואז הקרור מהיר יותר. במים קרים, הזרמים יהיו חלשים יותר, לא תווצר שכבה עליונה חמה במיוחד, טמפרטורת המים תהיה אחידה יחסית, והקרור יעיל פחות. אם המים התחילו מטמפרטורה ממוצעת של 70 מעלות, כאשר הטמפרטורה הממוצעת תהיה 30 מעלות עדיין המים יהיו חמים הרבה יותר בחלק העליון של הכלי משום שהדינמיקה של הזרמים בכלי תשמר. אם הקרור מתחיל מטמפרטורה ממוצעת של 30 מעלות, לא תווצר דינמיקה יעילה כזאת.
לבסוף, גורם נוסף שמשפיע על הקפאון, הוא המושג של קרור יתר. המים בהרבה מקרים יתקררו לטמפרטורה נמוכה מאפס לפני שהם יקפאו. זה מתרחש משום שההתמצקות תלויה בהווצרות סדר גבישי במים. באפס מעלות, המצב האופטימלי של המים הוא מוצק, אבל המים יכולים גם להתקרר למינוס שש מעלות בטרם יווצרו גרעיני התגבשות. מים שחוממו יכולים להתקרר קרור יתר בטרם הם יתגבשו, אבל מים שלא חוממו יכולים להתקרר קרור יתר לטמפרטורות נמוכות יותר. זה נובע, כנראה, בגלל ההבדלים בתכולת הגזים וקיומם של זרמים. על כל פנים, המים שהתחילו קרים יותר, יקוררו למעשה לטמפרטורה נמוכה יותר מהמים החמים בטרם הם יהפכו לקרח. זה יכול להיות משמעותי מאד, משום שהחוק של ניוטון אומר שהקרור בטמפרטורות נמוכות יותר יהיה איטי יותר.
אני מקווה שהצלחתי להסביר את הגורמים השונים. במציאות כולם נוטלים חלק ביצירת האפקט. מי מהם החשוב ביותר ומי פחות? זה תלוי בנתונים הספציפיים של המערכת הניסיונית.
נערך לאחרונה ע"י Sam Weller בתאריך 24-08-2007 בשעה 16:32.
|
|
ראשי
צ'אט
מצב כלאיים
