قابل توجيه به نظر نمي رسد که آب 70درجه سانتي گراد سريع تر از آب 20درجه دچار انجماد شود به طور مثال اگر آب 20 درجه به 30 دقيقه وقت نياز داشته باشدتا به دماي انجماد برسد ، آب 70 درجه مدت زمان بيشتري نياز دارد چون در ابتدا بايد زماني را صرف کند تا از 70 درجه به 20درجه برسد و سپس همان 30 دقيقه را پشت سر بگذارد تا منجمد شود ولي واقعيت اين است که وقتي آب از 70 درجه به20 درجه ميرسد دچار تغييراتي مي شود که پيامد اين تغييرات مي تواند منجر به اين شود که زمان انجماد  آن کوتاهتر شود. اين پديده، اثر امپمبا  Mpemba effect نام دارد.

چنين پديده‌اي، متناقض است، طي آزمايشات زيادي چنين چيزي مشاهده و ثبت شده است. در واقع قرن‌هاست که دانشمندان متوجه اين پديده شده‌اند و دانشمنداني مثل ارسطو، بيکن و دکارت، سال‌ها و قرن‌ها پيش آن را توصيف کرده‌اند.

 چرا به اين پديده يعني زودتر منجمد شدن آب داغ پديده امپمبا مي گويند ؟

ولي تا سال ۱۹۶۹، يعني زماني که يک دانش‌آموز دبيرستاني تانزانيايي، به صورت تصادفي متوجه آن شد، اين پديده توسط دانش مدرن امروزي‌مان مورد بررسي قرار نگرفته بود.

به پديده زودتر يخ زدن آب گرم نسبت به آب سرد، البته تحت شرايطي خاص اثر امپمبا Mpemba effect گفته مي‌شود.

نخستين بار ارسطو ۳۰۰ سال قبل از ميلاد مسيح متوجه اين پديده شد. دانشمندان قرون وسطي، زماني که مي‌خواستند تئوري گرما را تبيين کنند، متوجه اين پديده شدند. در سال ۱۴۶۱، فيزيکداني به نام جيوواني مارلياني، ۴ اونس آب حرات‌ديده و آب معمولي را براي يخ زدن در بيرون قرار داد و در کمال تعجب مشاهده کرد که آب گرم‌تر، زودتر يخ بسته است، اما نتوانست توجيهي براي اين مشاهده خود پيدا کند.

اما زماني که تئوري مدرن گرما، توسط دانشمندان مختلف تبيين شد،  پيده امپمبا به کلي فراموش شد، اما ۵۰۰ سال بعد از آزمايش مارلياني و بيشتر از ۲ هزاره بعد از ارسطو، اين پديده بار ديگر به صورت اتفاقي مشاهده شد.

اين بار يک دانش‌آموز دبيرستاني تانزانيايي متوجه قضيه شد، داستان مشاهده او در مجله علمي نيوساينتيست به چاپ رسيد.

در سال ۱۹۶۳، اين دانش‌آموز که امپمبا نام داشت، به همراه دانش‌آموزهاي ديگر براي مراسمي تدارک ديده بودند و مي‌خواستند بستني درست کنند. براي درست کردن بستني همانطور که مي دانيد شير جوشيده شده‌اي که به آن شکر اضافه شده،بايد يخ بزند. امپمبا هم منتظر بود که ظرف شير و شکرش سرد شود تا بتواند آن را داخل يخچال بگذارد. اما او عجله داشت و از طرفي مي‌ديد که اگر زود نجنبد، دانش‌آموزهاي ديگر زودتر از او ظرف هايشان را در يخچال مي‌گذارند و جايي براي ظرف او باقي نمي‌ماند، به همين علت ظرف سرد نشده‌اش را در يخچال گذاشت. اما او در کمال تعجب مشاهده کرد، که زودتر از دانش‌آموزهاي ديگر که ظرف شير و شکر سرد را در يخچال گذاشته بودند، موفق به تهيه بستني شده است.

دبير فيزيک او هم در کلاس بود، امپمبا که تعجب کرده بود، در اين مورد از دبيرش پرسيد، اما دبير فيزيک او گفت که او ممکن است اشتباهي کرده باشد.

امپمبا اول کنجکاوي بيشتر نکرد و با همين توضيح قانع شد، اما مدتي بعد از يکي از دوستانش که در شهر تانگا بستني‌فروشي مي‌کرد، شنيد که او براي اينکه زودتر موفق به تهيه بستني شود، ظرف سردنشده را مستقيما داخل يخچال مي‌گذارد. به علاوه امپمبا متوجه شد که همه بستني‌فروشهاي تانگا، همين کار دوستش را مي‌کنند.

مدتي بعد در دبيرستان، امپمبا سؤالش را مطرح کرد، اما معلمش حاضر به قبول آن نشد و به شوخي گفت که اين چينن چيزي را فقط فيزيک امپميا مي‌گويد و نمي‌توان نشاني از آن در دانش فيزيک جهاني پيدا کرد. اما امپمبا مجددا در آزمايشگاه زيست‌شناسي، اين پديده را با استفاده از ظرف آب گرم و سرد تکرار کرد و دوباره به همان نتيجه سابق رسيد.

مدتي بعد يک استاد فيزيک به نام دکتر آزبورن از دبيرستان امپمبا بازيد کرد، امپمبا از فرصت استفاده کرد و از دکتر آزبورن هم در مورد اين پديده پرسيد. آزبورن توجهي نداشت ولي به امپمبا قول داد، اين مورد را بررسي کند. آزبورن از يک تکنسين آزمايشگاه خواست که اين پديده را امتحان کند، او هم به همان نتيجه امپمبا رسيد. سرانجام در سال ۱۹۶۹، مشاهدات امپميا و دکتر ازبورن به چاپ رسيد و پديده زودتر يخ زدن آب گرم، به اثر امپمبا، موسوم شد.

شرايطي که تحت آن پديده امپمبا را مي‌توان مشاهده کرد، بسيار خاص هستند، شکل يخچال يا منبع سردکننده، شکل ظرف، ناخالصي و ميزان گاز موجود در آب، همه در رخ دادن اثر امپمبا مؤثر هستند.

 به عبارت بهتر دليل واحدي براي پديده ممبا وجود ندارد و عوامل مختلفي در ايجاد اين پديده موثر هستند اين دلايل عبارتند از :

۱- تبخير: فرض کنيد، دو ظرف حاي آب ۷۰ درجه و آب ۳۰ درجه داريم و آنها را سرد مي‌کنيم. هنگامي که آب گرم‌تر سرد مي‌شود، مقداري از حجم آن تبخير مي‌شود، اين مقدار حجم تبخير شده آب از ۲ راه باعث تسهيل يخ زدن آب گرم‌تر مي‌شود:

الف – مقدار جرم آب گرم‌تر را کم مي‌کند.

ب- براي تبخير نياز به مقداري گرما است، آب تبخير شده اين گرما را از آب مايع مي‌گيرد.

البته بديهي است که تبخير، به تنهايي نمي تواند اثر امپمبا را توجيه کند.

۲- گازهاي حل شده در آب: هر چقدر آب گرم‌تر باشد، ميزان گاز حل شده کمتري در خود دارد، بنابراين جريان‌هاي همرفتي در آن تسهيل مي‌شود و آب به صورت يکنواخت‌تري خنک مي‌شود. به علاوه آبي که گاز کمتري دارد، نيار به از دست مقدار کمتري گرما براي تبديل شدن به يخ دارد.

۳- اثر سطح داغ: وقتي آب گرم‌تر سرد مي‌شود، جريان‌هاي همرفتي در آن به وجود مي‌آيد و توزيع گرما در آن به صورت يکنواخت نخواهد بود. چينن چيزي باعث مي‌شود که يک لايه آب گرم در بالاي لايه آب سرد در آن ايجاد شود. به اين پديده اثر سطح داغ مي‌گويند. اين دو لايه‌اي شدن آب گرم‌تر، باعث مي‌شود که سرعت خنک شدن آن نسبت به آب در ابتدا سردتر، بيشتر شود.

۴- اثر بر محيط اطراف: محيط اطراف ظرف‌هاي حاوي آب گرم و آب سردتر، هم بر يخ زدن آب‌ها اثر مي‌گذارد. مثلا اگر آب گرم و سرد، هر دو روي لايه‌اي از يخ در يخچال قرار داده شوند، آب گرم‌تر ممکن است، در ابتدا باعث ذوب شدن مقداري يخ شود و در يخ فرو رود و در نتيجه شرايط بهتري براي يخ زدن پيدا کند.

 در زير به توضيح بيشتر اين عوامل مي پردازيم:

تبخير :

وقتي آب داغ بتدريج سرد مي شود بخشي از آب به شکل بخار خارج مي شود و جرم آب کاهش مي يابد . کاهش جرم آب سبب مي شود آب باقي مانده با از دست دادن گرماي کمتري منجمد شود و فرآيند انجماد تسريع شود اگرچه فرآيند تبخير و کاهش جرم آب يکي از عوامل مهم در ايجاد پديده ممباست ولي تنها عامل نيست بطوريکه حتي با حذف تبخير هم پديده ممبا مشاهده ميشود به عبارت بهتر اگر آب داغ را در يک طزف دربسته ريخته و مانع از تبخير و کاهش جرم شويم باز هم آب داغ سريع تراز  آب سرد منجمد ميشود . پس علاوه بر تبخير عوامل ديگري هم در اين مورد تاثير گذار هستند

خروج گازهاي حل شده از آب :

مي دانيم که انحلال پذيري گازها با افزايش دما کاهش مي يابد و نيز ميدانيم که وجود ذراتحل شونده در يک حلال موجب کاهش دماي انجماد ميشود .   بنابراين مي توان پذيرفت آب سرد حاوي ميزان بيشتري از گازهاي محلول بوده پس دماي انجماد پائين تري دارد و فرايند انجماد آن کند تر اتفاق ميافتد . ولي اين هم باز به تنهائي براي توجيه پديده ممبا کفايت نمي کند زيرا اگر يک مقدار آب را به دقت جوشانيم تا گازهاي محلول درآن کاملا خارج شود بعدآن را تا دماي 20درجه سرد کنيم و يک گاز جوشيده بدون گاز را در شرايط دمائي 70درجه نگهداريم باز هم آب 70درجه سانتي گراد زودتر منجمد ميشود 

تاثير محيط :

آب داغ ممکن است محيط اطراف خود را دچار چنان تغييراتي کتد که پس از آن انجماد سريع تر اتفاق بيفتد مثلا وقتي ظرف حاوي آب داغ را برروي برفک يخچال قرار ميدهيم برفک يخچال ذوب ميشود در اين صورت آب گرم تماس بهتري با دستگاه سردکننده خواهد داشت ولي اگر چه اين عامل هم ميتواند تاثيرگذارباشد ولي به تنهائي نمي تواند پديده ممبا را توجيه کند چون حتي وقتي هردو ظرف برروي يک سطح عايق قرار داده شوند بطوريکه ذوب برفک يخچال اتفاق نيفتدباز هم پديده ممبا ديده ميشود

ابر سرد شدن :

ابر سرد شدن نيز به عنوان يکي از دلايل ايجادپديده ممبا مطرح شده است . منظور از ابر سرد سدن اين است که آب در دمائي پايين تراز صفر درجه منجمدشود.دردماي صفر درجه مولکولهاي آ ب ميخواهند به شکل بلور يخ ساختار منظمي بگيرند يعني حرکات کاتوره اي خود را به عنوان يک مايع از دست مي دهند ولي گاهي اوقات ذرات آبي که تاحد صفر درجه سرد شده اند هيچ بهم پيوستگي نمي بينند بنابراين آب تادمائي زير صفر درجه بدون يخ زدن سرد ميشودآزمايشات نشان مي دهد آبي که درآغاز گرمتر بوده تنها تا 2 درجه ابر سرد مي شود در حالي که آبي که از آغاز سردتر بوده تا 8 درجه ابر سرد مي گردد بنابراين آب سرد ديرتر منجمد مي شود .البته درستي فرايند ابر سرد شدن هنوز کاملا تائيد نشده است ولي حتي در صورت تائيد نمي تواند توجيه خوبي براي پديده ممبا باشد چون به جاي آنکه معما ، معماي ديگري قرار ميدهد چرا بايد آبيکه درايتدا گرمتر بوده بيشتر از آبي که درآغاز سردتربوده ابر سرد شود ؟البته يک پاسخ براي اين سوال اين است که چون آب سرد حل شوند گازي شکل بيشتري دارد دماي انجماد آن کمتر است . ولي چنانچه در بخش گازهاي حل شده گفته شد حتي در صورت خروج کامل گازهاي محلول باز هم پديده ممبا اتفاق مي افتد

همرفت :

توجيه ديگري براي پديده ممبا توجه به اين واقيت است که دماي آب غير يکنواخت ميشود و همچنانکه آب سرد ميشود گراديان هاي دما و جريان هاي همرفت افزايشمي يابند . با افزايش دما چگالي آب کاهش مي يابد بنابراين پس از گذشت زمان ، همچنانکه آب سرد مي شود برروي سطح آب يک سطح داغ فوقاني ايجاد مي شود يعني دماي آب در سطح بشتر از دماي متوسط آب درکف ظرف خواهد بود  . اگر آب دماي خود را اساسا از سطح از دست بدهد اين به آن معني است که آب گرمارا سريع تر از حالتي از دست مي دهد که با در نظر گرفتن دماي متوسطش ازآن انتظار ميرفت . به عبارت بهتر براي هر دمائي هرچه توزيع دمائي آب غير يکنواخت تر باشد اتلاف گرما بيشتر است در واقع آبي که داغ تر است به سرعت دچار کاهش دما مي شود و موجب ايجاد جريانهاي همرفتي مي گردد .برقراري اين جريانهاي همرفتي سبب ميشود که دماي آب از بالا تاپائين بشدت دچار تغيير شود ولي آبي که دماي کمي دارد  آهسته تر سرد مي شود پس سرعت ايجاد جريان هاي همرفتي هم در آن کمتر است وديرتر دچار کاهش دما مي شوددر يک مثال واقعي ميتوان فرض کرد آب گرم تر ، از دماي 70 درجه وآب سردتر از دماي 30 درجه آغاز کند . وقتي دماي متوسط آب 30درجه است همه جاي آن به طور يکنواخت 30درجه دارد درحاليکه وقتي آب گرم به دماي متوسط 30درجه مي رسد سطح آن دمايي بسيار بيشتر از 30درجه دارد بنابراين گرما را سريعتر از آبي ازدست مي دهد که در همان دماي متوسط قرار داردبه نظر ميرسد جريان هاي همرفتي ميتواند به تنهائي پديده ممبا را توجيه کند ولي اين مشروط به آن است که بتوانيم يک مدل نظري براي جريانهاي همرفتي داشته باشيم ولي چنين مدلي هنوز بدست نيامده است.