جوشیدن آب زیر دمای انجماد از نظر علمی ممکن است

اگر فکر می‌کنید یکی از باور‌ها‌ی اساسی شما در مورد قوانین علم زیر سؤال رفته است، حتما باید آن را در شرایط مناسب امتحان کنید. شما می‌توانید آب را در دمایی کم‌تر از دما‌ی انجماد آن بجوشانید! پس از چند دقیقه جوشیدن آب، کریستال‌ها‌ی یخ روی سطح آن شکل می‌گیرند و اگر آب را لمس کنید، کاملا سردی آن را حس خواهید کرد. دیوانه‌کننده است. به نظر شما اینطور نیست؟

اجازه بدهید سیستم به‌وجود آورنده‌ی این فرایند را شرح دهیم. در شرایط معمولی قادر به انجام این کار نخواهید بود؛ پس بهتر است کتری در دستتان را کنار بگذارید و به خواندن ادامه دهید.

شما برای انجام این کار، به یک محفظه‌ی فشاری نیاز دارید که به‌وسیله‌ی یک پمپ خلأ، تمام هوای داخل محفظه تخلیه شده باشد. به این منظور، در آزمایشگاه Cody، از یک تنگ ۶۰ میلی‌لیتری با دما‌ی اتاق استفاده می‌شود.

در قسمت انتهایی محفظه، یک بطری لایه‌نشانی شده با کلسیم سولفات و نمک منیزیم سولفات، قرار داده شده است. وجود این دو ترکیب، برای کمک به فرایند جوشاندن و فریز کردن نیست، بلکه این مواد به جذب بخار آب کمک می‌کنند تا با افزایش فشار بخار، محفظه آسیب نبیند. پس از مدتی، میزان کمی از کلسیت به آب اضافه می‌شود. کلسیت اجازه نمی‌دهد شرایط دمایی تغییر کند. همچنین باعث تعدیل سرعت جوشیدن آب می‌شود. اکنون همه چیز برای انجام شدن فرایند، آماده است.

قرار نیست آب با افزایش دما، درون محفظه‌ی فشار به نقطه‌ی جوش برسد؛ بلکه با کاهش فشار به جوش خواهد آمد. پژوهشگران آزمایشگاه Cody توضیح دادند که نقطه‌ی جوش یک مایع به هر دو پارامتر دما و فشار بستگی دارد. رابطه‌ی این دو پارامتر به این شکل است که هر‌چه مایع گرم‌تر باشد، فشار بخار آن بیش‌تر است.

در دمای ۱۰۰ درجه‌ی سلسیوس (دما‌ی جوش معمولی آب)، فشار بخار مایع، یک واحد فشار بخار استاندارد (۰.۱۰۱۳۲۵ مگا‌پاسکال) است. در این نقطه، آب شروع به بخار شدن می‌کند و تغییر حالت می‌دهد. در دما‌ی اتاق، فشار بخار آب بسیار کم‌تر و آب در حالت تعادل است؛ پس به جوش نمی‌آید.

با استفاده از این اصول، شما می‌توانید مقداری آب در دما‌ی اتاق را در یک محفظه‌ی فشار قرار دهید و هوا‌ی داخل آن را تخلیه کنید. با این کار، فشار داخل محفظه را کاهش داده‌اید. پس از چند دقیقه، دما‌ی جوش از دما‌ی آب پایین‌تر می‌آید و آب بدون نیاز به حرارت دادن، به جوش می‌آید.

از نظر تئوری، اگر به کاهش دادن فشار ادامه دهیم، آب باید به جوشیدن ادامه دهد. از آنجایی که مولکول‌ها‌یی با انرژی جنبشی بیش‌تر، یعنی مولکول‌ها‌ی دارای گرما‌ی بیش‌تر، مایع را ترک می‌کنند؛ آب، گرما از دست می‌دهد. همین‌طور که آب به جوشیدن ادامه می‌دهد، دمای آن کاهش می‌یابد تا این‌که به دما‌ی انجماد می‌رسد.

مجتمع فیزیک مدرسه‌ی هاروارد وستلک در کالیفرنیا، این‌گونه شرح می‌دهد: زمانی که با کاهش فشار، آب را به نقطه‌ی جوش برسانید، ملوکول‌ها‌ی باقی‌مانده به‌صورت مایع، به مولکول‌ها‌ی گازی فرار‌کننده از آب، انرژی می‌دهند.

به‌طور واضح، مولکول‌ها‌ی گازی انرژی جنبشی بیش‌تری از مولکول‌ها‌ی مقید ناتوان از غلبه بر نیرو‌ها‌ی بین مولکولی دارند.

با ادامه یافتن جوشیدن، آب به‌صورت پیوسته گرما از دست می‌دهد. در این هنگام، پمپ خلأ نیز به کار خود ادامه می‌دهد و شرایط را برای ادامه‌ی فرایند، مهیا می‌کند. در نهایت، دما‌ی آب به حدی می‌رسد که آب منجمد می‌شود. علم فیزیک واقعا زیبا است!