Ngược đời nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh

Mặc dù hiện tượng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu đã khiến cho nhiều vùng trên thế giới năm nay không còn thấy tuyết rơi vì mùa đông đã trở nên ấm áp hơn hẳn. Tuy nhiên, vùng Bắc bán cầu hiện nay vẫn đang trải qua một mùa đông lạnh giá dưới 0^oC.

Đây là khoảng thời gian khá hiếm hoi mà bạn có thể thực hiện một số thí nghiệm khoa học thú vị về nhiệt độ. Chẳng hạn như việc tạo ra các viên bi đông lạnh khổng lồ bằng bóng nước, đông cứng bong bóng xà phòng, hoặc thậm chí ném nước sôi vào không khí để tạo ra tuyết.

Khi hất nước nóng ra trời lạnh dưới âm, chúng sẽ đóng băng nhanh hơn so với nước bình thường. Nguồn ảnh: youtube.com

Vào năm 2013, khi nhiệt độ thấp đến mức đáng báo động, một đoạn video đăng tải trên mạng xã hội đã nhanh chóng thu hút sự chú ý của công chúng khi ghi nhận một hiện tượng đáng ngạc nhiên: Nước nóng đóng băng nhanh hơn so với nước lạnh.

Đây là một hiện tượng không quá xa lạ với các nhà khoa học vì những ghi chép đầu tiên về điều này đã có từ thời Aristotle (Hy Lạp cổ đại).

Thời hiện đại, việc nước nóng đóng băng nhanh hơn so với nước lạnh được đặt tên là hiệu ứng Mpemba, sau khi một học sinh trung học người Tanzania tái khám phá ra hiện tượng này vào năm 1963.

Erasto Mpemba và những người bạn của mình thường làm kem bằng cách sử dụng tủ đông trong trường học. Các em thường làm điều này bằng cách đun sôi sữa và trộn với đường. Sau đó, hỗn hợp này sẽ được để nguội và đặt vào tủ đá.

Một ngày nọ, Mpemba do vội đi học nên đã để sữa vào tủ lạnh khi vẫn còn nóng. Em đã cực kì ngạc nhiên khi sữa của em lại thành kem nhanh hơn so với các bạn cùng lớp. Em nói điều này với người lớn và thầy cô. Tuy nhiên, không một ai chịu tin lời của một đứa trẻ mới 13 tuổi về hiện tượng nghe có vẻ hoang đường như thế này.

Nhưng rất may, sau đó một giáo sư vật lý đến thăm trường của Mpemba và em đã hỏi lại vấn đề này. Hai người đã cùng nhau viết một bài báo cáo cực kì nổi tiếng về hiện tượng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh và cho xuất bản vào năm 1969. Công trình này đã được tái bản rất nhiều lần sau đó.

Nếu bạn cố gắng thử nghiệm hiện tượng này ở nhà, có lẽ bạn sẽ không thu được kết quả như ý muốn. Hiệu ứng Mpemba không phải lúc nào cũng xảy ra trong thực tế. Nó cần phải đáp ứng được một số yếu tố cơ bản.

Để lý giải về hiện tượng này, giả thuyết phổ biến nhất được các nhà khoa học đề xuất là do nước nóng bốc hơi nhanh hơn, mất dần khối lượng và do đó mất ít nhiệt để đóng băng. Tuy nhiên, sau đó các nhà khoa học khác cũng đã chứng minh hiệu ứng Mpemba có thể xuất hiện trong thùng kín, nơi mà hiện tượng bốc hơi không thể diễn ra.

Một số lý thuyết khác cho rằng nước sẽ hình thành nên dòng đối lưu và các tầng nhiệt độ khi nó nguội dần đi. Nói cách khác, một ly nước nóng sẽ có sự chênh lệch rất lớn về nhiệt độ giữa các phần khác nhau bên trong. Khi đó, bề mặt của ly nước sẽ mất nhiệt nhanh. Trong khi một ly nước mát lại có ít sự chênh lệch nhiệt độ hơn. Vì thế quá trình đối lưu sẽ rất yếu để đẩy nhanh sự đóng băng. Tuy nhiên, lý thuyết này vẫn chưa được kiểm chứng tính đúng đắn hợp lý.

Các giả thuyết khác cũng đã được đưa ra, nổi bật nhất là hiệu ứng siêu lạnh (supercooling). Đây là hiện tượng khi các chất khí hòa tan vào dung dịch sẽ làm ảnh hưởng lớn đến quá trình đóng băng của những dung dịch này.

Vào cuối năm 2013, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Singapore đề xuất rằng nghịch lý Mpemba xuất phát từ tính chất độc đáo bên trong liên kết hóa học của phân tử nước. Một phân tử nước điển hình sẽ chứa một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Chúng kết nối với nhau bằng các liên kết hóa trị chia sẻ cặp electron giữa các nguyên tử.

Nhưng khi một số phân tử nước nằm gần nhau quá mức, các nguyên tử hydro của phân tử này cũng sẽ hình thành liên kết với các nguyên tử oxy trong phân tử khác. Chính các liên kết hydro này là nguyên nhân tạo ra những tính chất cơ bản của nước. Chẳng hạn như nước có một điểm sôi tương đối cao, và nở ra khi đông lạnh. 

Theo các nhà nghiên cứu, khi nước sôi, các phân tử nước sẽ bị dãn ra, kéo dài các liên kết hydro. Nhưng vì khối lượng và thể tích bị giới hạn nên các liên kết hóa trị trong từng phân tử nước riêng lẻ sẽ bị nén lại, lưu trữ bớt một phần năng lượng. Nếu nước được đông lạnh ở trạng thái này, các liên kết sẽ phóng thích năng lượng tương tự như một chiếc lò xo được dãn ra. Điều này sẽ làm cho nước hạ nhiệt nhanh hơn nhiều khi so sánh với các loại nước có liên kết hóa trị ít bị nén ép hơn.

Tuy nhiên, các nhà khoa học khác lại cho rằng, nếu lý thuyết này hoàn toàn đúng đắn, thì nước sẽ phải xuất hiện thêm khá nhiều tính chất cơ bản khác lạ nữa.

Cộng đồng các nhà khoa học và vật lý trên thế giới vẫn còn đang tranh cãi khá dữ dội với nhau vì một hiện tượng tuy khá đơn giản nhưng không kém phần nghịch lý này. Và trong thời gian chờ đợi, tại sao bạn không thử trải nghiệm hiệu ứng Mpemba này tại nhà bằng chiếc tủ lạnh của mình?

Theo Khampha.vn

Từ khóa tìm kiếm hiện tượng đóng băng, hiện tượng đóng băng của nước nóng, nước nóng đóng băng, đóng băng