Đây là lý do tại sao nước nóng đóng băng lẹ hơn nước lạnh

Tuần trước các nhà nghiên cứu ở khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử ở Đại học Công nghệ Nanyang Singapore đã đề xuất giải pháp có thể giải thích chính xác nhất cho hiệu ứng Mpemba.

Photo: Kevin Liu

Bạn có thể nghe điều này ở đâu đó trước đây rằng nước nóng có thể đông lại nhanh hơn nước lạnh – đó chính là hiệu ứng Mpemba. Tôi nhớ là chị gái tôi đã nói với tôi điều đó khi chúng tôi còn là những đứa trẻ. Tôi không tin điều chị ấy nói trong nhiều năm sau đó. Đó giống như một câu chuyện mê tín được truyền miệng.

Nhưng có một sự thật là: chưa có một tranh luận thực sự về sự thật đó là hiệu ứng Mpemba có tồn tại. Điều đó đã được quan sát qua rất nhiều cuộc thí nghiệm. Aristotle đã ghi nhận việc những người ngư dân đã đun nóng nước để nó đóng băng nhanh hơn vào hai thiên niên kỷ trước. Năm 1963, hiệu ứng này được đặt tên sau khi một người Tanzania tên là Erasto Mpemba, khi đó là một cậu học sinh trung học đã nhận thấy hỗn hợp kem nóng đông lạnh nhanh hơn so với hỗn hợp kem lạnh. Câu hỏi của câu ta gửi tới một giảng viên thỉnh giảng là Tiến sĩ Denis G. Osborne, “Nếu chúng ta có hai thùng chứa giống nhau cùng chứa một lượng nước như nhau, một cái ở 35 °C (95 °F), và một cái ở 100 °C (212 °F), rồi bỏ chúng trong một tủ đông. Thùng nước ở 100 °C (212 °F) ban đầu sẽ đông lại trước. Tại sao?” ban đầu bị chế giễu, nhưng Osborne sau đó đã làm lại kết quả của Mpemba và là đồng tác giả của bài viết giải thích cho sự quan sát trên vào năm 1969

*Khi một người bạn của bạn nói rằng: “một lần tớ đã đổ nước nóng vào một khay và một khay khác chứa nước lạnh, tớ thấy nước lạnh đã đông lại nhanh hơn” thì đó không được xem là một thí nghiệm có kiểm soát.
Nó hoàn toàn phản trực giác và dường như vi phạm các luật cơ bản của nhiệt động lực học. Để rõ ràng, những gì chúng ta nói ở đây là trong một điều kiện nhất định, tổng thời gian cần cho một lượng nước ấm để đóng băng sẽ nhỏ hơn tổng thời gian cần cho một lượng nước lạnh tương đương để đóng băng khi ở trong cùng một nhiệt độ môi trường. Đó thực sự là một điều kỳ lạ. Ý tôi là, tại một số điểm trong quá trình, không phải nước ấm sẽ ở trạng thái ban đầu giống hệt như nước lạnh? Và nếu có, tại sao nước như vậy vừa nóng vừa lạnh lại đông nhanh hơn nước đã lạnh từ đầu? Đó là lý do tại sao công chúng phủ nhận sự tồn tại của hiệu ứng này trong nhiều thập kỷ.

Kể từ đó, nhiều lời giải thích đã được đưa ra để thử nghiệm và giải thích hiện tượng, nhưng không có gì nhiều hơn là các giả thuyết nghe có vẻ hợp lý được đưa ra. Dưới đây là một vài trong số chúng:

Giả thuyết: các dòng đối lưu trong nước ấm xuất hiện do sự chênh lệch lớn về nhiệt độ sẽ làm cho nước mát nhanh hơn, và những dòng đối lưu tiếp tục ngay cả sau khi nước đã giảm đến cùng một nhiệt độ như ở nước lạnh hơn, do đó cho phép nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong đóng băng.*
* Vấn đề: Nước là chất liệu dính và dòng đối lưu giống như vậy sẽ không tiếp tục chảy trong thời gian cần để làm mát nước.

Giả thuyết: nước nóng bay hơi. Lượng nước còn lại ít đồng nghĩa với việc lượng nước cần đóng băng ít. **
** vấn đề: ngay cả sự bay hơi, nước nóng vẫn được quan sát đóng băng nhanh hơn nước lạnh.

Giả thuyết: nước nóng làm tăng dòng không khí đối lưu trong tủ đông, điều này làm tăng hiệu suất đông đá.***

***Vấn đề: bạn có thể thử nghiệm cả 2 khay nước nóng và lạnh cùng để trong một tủ đông thì nước nóng vẫn đóng băng nhanh hơn nước lạnh.

Giả thuyết: Nước lạnh đóng băng một lớp trên bề mặt. điều này cách ly và ngăn cản phần bên dước đông đá nhanh****

****Vấn đề: Nước nóng cũng tạo ra một lớp đông phía trên trước.

Các vấn đề trong thử nghiệm là rất lớn bởi vì có rất nhiều biến để kiểm soát bên cạnh tạo nhiệt độ ban đầu, đó là hình dạng của tủ đá, khối lượng và hình dạng của vật chứa nước, tính chất cách điện của vật chứa, chất rắn hòa tan trong nước, vv. Cho tới một bài báo vào tuần trước, thử nghiệm hợp lý nhất được đưa ra bởi một người quan tâm tới vấn đề này James Brownridge, người đã đề xuất rằng nước nóng sẽ làm thay đổi bản chất của các tạp chất chứa trong nó, điều này làm thay đổi điểm đông của nó (ông ta quan sát thấy hầu hết nước thực sự lạnh vượt quá 0 ° C và không bắt đầu kết tinh cho đến khi giảm hơn mức nhiệt độ này nhiều).

Bài báo mới tuyên bố có những giải thích liên quan tới hóa học cho hiệu ứng này, và một bài toán phù hợp với số liệu quan sát được – theo như tôi biết, lời giải thích đầu tiên có thể chấp nhận được.

Các phân tử nước bao gồm hai phân tử hydro gắn với một phân tử oxy chủ yếu qua liên kết cộng hóa trị mạnh. Thông thường, liên kết cộng hóa trị sẽ yếu hơn và kéo dài hơn khi được đun nóng. Nhưng trong nước, vì tính chất độc đáo của liên kết hydro – sự tương tác giữa các nguyên tử hydro trong một phân tử nước và phân tử oxy trong một phân tử lân cận – hiệu quả ngược lại xảy ra. Khi một phần nước hấp thụ năng lượng, các liên kết hydro sẽ giãn ra (làm cho các phân tử nước riêng biệt tách rời nhau), nhưng các liên kết cộng hóa trị trong mỗi phân tử trở nên ngắn hơn và bền hơn – điều cũng xảy ra khi nước đóng băng.

Vì vậy, ở mức độ phân tử, nước nóng gần giống với nước đá hơn nước lạnh ban đầu. Quan trọng hơn, tốc độ mà năng lượng trong các liên kết cộng hóa trị bị thu hẹp này được giải phóng tăng theo số mũ lượng năng lượng ban đầu được lưu trữ.  Một cách hiệu quả, nước nóng có năng lượng lưu trữ cao hơn và giống như một lò xo được giải phóng khi bạn bắt đầu làm mát nó, cho phép nó mát và đóng băng nhanh hơn.

Tài tình, huh?

Bạn có thể đọc chi tiết trong bài báo đầy đủ ở đây , với các sơ đồ hoàn chỉnh.

Tác giả: J. Kenji Lopez-Alt, seriouseats.com

Người dịch: Hoài Thu

Facebook Comments

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *