Nước nóng thỉnh thoảng đông đặc nhanh hơn nước lạnh – nhưng tại sao vậy? Hiện tượng kì lạ này đã thách đố các nhà khoa học trong nhiều thế hệ, nhưng nay đã có bằng chứng cho thấy hiệu ứng trên có lẽ phụ thuộc vào những tạp chất ngẫu nhiên có mặt trong nước.
Sự đông đặc nhanh của nước nóng được gọi là hiệu ứng Mpemba, mang tên một học sinh người Tanzinia tên là Erasto Mpemba. Các nhà vật lí đã đi đến một vài lời giải thích khả dĩ, như sự bốc hơi nhanh hơn làm giảm thể tích của nước nóng, một lớp sương làm phân cách lớp nước nguội hơn, và nồng độ khuếch tán của các chất tan. Nhưng câu trả lời rất khó dứt khoát vì hiệu ứng trên là không chắc chắn – nước lạnh đúng là có khả năng đông đặc nhanh hơn.
James Brownridge, nhân viên an toàn bức xạ tại trường đại học bang New York ở Binghamton, tin rằng tính ngẫu nhiên này là cái thiết yếu. Hơn 10 năm qua, ông đã thực hiện hàng trăm thí nghiệm về hiệu ứng Mpemba trong thời gian rảnh rỗi của mình, và đã có bằng chứng rằng hiệu ứng trên hoạt động trên hiện tượng chậm đông.
“Nước không hề đông đặc ở 0o C”, Brownridge nói. “Nó thường chậm đông, và chỉ bắt đầu đông đặc ở một nhiệt độ thấp hơn”. Điểm đông đặc này phụ thuộc vào tạp chất có mặt trong nước gieo mầm cho sự hình thành những tinh thể băng. Thông thường, nước có thể chứa một vài loại tạp chất, từ những hạt bụi cho đến các loại muốn hòa tan và vi khuẩn, mỗi loại này kích hoạt sự đông đặc ở một nhiệt độ đặc trưng riêng. Tạp chất có nhiệt độ kết nhân cao nhất quyết định nhiệt độ tại đó nước đông đặc.
Brownridge bắt đầu với hai mẫu nước ở nhiệt độ bằng nhau – nói thí dụ, nước vòi ở 20oC – trong ống thử kín và làm lạnh chúng xuống bằng máy ướp lạnh. Một mẫu sẽ đông đặc trước, có thể đoán chừng vì hỗn hợp tạp chất ngẫu nhiên của nó cho nó một điểm đông đặc cao hơn.
Nếu sự chênh lệch đó là đủ lớn, thì hiệu ứng Mpemba sẽ xuất hiện. Brownridge chọn ra mẫu có nhiệt độ đông đặc tự nhiên cao hơn để đun nóng lên 80oC, làm ấm mẫu kia lên tới nhiệt độ phòng, rồi đưa các ống thử trở lại trong máy ướp lạnh. Nước nóng sẽ luôn luôn đông đặc nhanh hơn nước lạnh nếu như điểm đông đặc của nó cao hơn ít nhất là 5oC, Brownrige nói.
Cái có lẽ thật bất ngờ là việc dịch chuyển vạch đích đến đi chỉ 5oC là tạo ra đủ sự chênh lệch, khi mẫu móng bắt đầu bị bỏ lại 60oC phía sau cuộc đua. Nhưng sự chênh lệch giữa một vật và môi trường xung quanh của nó càng lớn – trong trường hợp này là máy ướp lạnh – thì nó lạnh đi càng nhanh. Cho nên, mẫu nóng sẽ thực hiện đa phần sự lạnh đi của nó rất nhanh, giúp nó đạt tới điểm đông đặc riêng của nó, nói thí dụ ở - 2oC, trước khi mẫu nước lạnh hơn đạt tới điểm đông đặc của nó là -7 °C chẳng hạn.
Tại sao chẳng ai khác để ý tới điều này? Brownridge nói rằng những người khác đã không điều khiển các điều kiện thí nghiệm đủ tốt để nghiên cứu một yếu tố tại một thời điểm. Chẳng hạn, cần phải điều khiển loại bình chứa, vị trí đặt vật trong máy ướp lạnh, vân vân.
Công trình nghiên cứu này không có khả năng kết thúc cuộc tranh cãi Mpemba. Jonathan Katz thuộc trường đại học Washington ở St Louis, Missouri, nói rằng ông thật hoài nghi kết quả trên. Theo lí thuyết riêng của Katz, việc đun nóng làm tăng điểm đông đặc của nó do đã lấy đi những chất tan, thí dụ như cacbon đi-ôxit. Điều này có nghĩa là việc làm nóng nước thật sự làm tăng cơ hội cho nó đông đặc trước, không giống như những kết quả ngẫu nhiên hơn mà Brownrige đề xuất. “Có lẽ ông ta đã tìm ra một hiệu ứng chậm đông tương tự như hiệu ứng Mpemba”, Katz nói.
Lịch sử hiệu ứng Mpemba
Hiện tượng kì lạ này đã có một lịch sử lâu đời. Nó lần đầu tiên được lưu ý tới bởi Aristotle vào thế kỉ thứ 4 trước Công nguyên. “Thật ra thì nước đã được làm ấm lên trước đó góp phần làm cho nó đông đặc nhanh hơn; cho nên nó lạnh đi mau hơn”, ông viết. “Vì thế nhiều nghiên cứu, khi họ muốn làm nước nóng mau nguội hơn, bắt đầu đưa nó ra ngoài nắng”.
Hiệu ứng trên còn được biết tới bởi Francis Bacon, người vào năm 1620 đã viết, “nước hơi ấm thì đông đặc nhanh hơn nước khá lạnh”. Sau đó, vào năm 1637, René Descartes nói, “Kinh nghiệm cho thấy nước đã được giữ một thời gian dài trên ngọn lửa sẽ đông đặc sớm hơn những thứ nước khác”.
Vào thập niên 1960, hiệu ứng trên đã gây sự chú ý của khoa học thời hiện đại khi một học sinh người Tanzania tên gọi là Erasto Mpemba nói với thầy dạy khoa học của anh ta rằng anh ta có thể làm kem nhanh hơn bình thường bằng cách đưa một hỗn hợp đã đun nóng vào trong máy ướp lạnh. Mpemba đã trở thành trò đùa của lớp cho đến khi một thanh tra viên trường học ở Dar es Salaam lặp lại thí nghiệm trên và minh oan cho anh.
[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn