Vì sao nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh?

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vì sao nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh?Vì sao nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh?Nước nóng thỉnh thoảng đông đặc nhanh hơn nước lạnh – nhưngtại sao vậy? Hiện tượng kì lạ này đã thách đố các nhà khoa họctrong nhiều thế hệ, nhưng nay đã có bằng chứng cho thấy hiệuứng trên có lẽ phụ thuộc vào những tạp chất ngẫu nhiên có mặttrong nước.Sự đông đặc nhanh của nước nóng được gọi là hiệu ứngMpemba, mang tên một học sinh người Tanzinia tên là ErastoMpemba. 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, mộtlớp sương làm phân cách lớp nước nguội hơn, và nồng độkhuếch tán của các chất tan. Nhưng câu trả lời rất khó dứt khoátvì hiệu ứng trên là không chắc chắn – nước lạnh đúng là có khảnăng đông đặc nhanh hơn. Điểm đông đặc phụ thuộc vào sự có mặt của những tạp chất. (Ảnh: Vilhjalmur Ingi Vilhjalmsson/Getty)James Brownridge, nhân viên an toàn bức xạ tại trường đại họcbang New York ở Binghamton, tin rằng tính ngẫu nhiên này làcái thiết yếu. Hơn 10 năm qua, ông đã thực hiện hàng trăm thínghiệm về hiệu ứng Mpemba trong thời gian rảnh rỗi của mình,và đã có bằng chứng rằng hiệu ứng trên hoạt động trên hiệntượng chậm đông.“Nước không hề đông đặc ở 0o C”, Brownridge nói. “Nó thườngchậm 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 nướcgieo mầm cho sự hình thành những tinh thể băng. Thôngthường, nước có thể chứa một vài loại tạp chất, từ những hạt bụicho đến các loại muốn hòa tan và vi khuẩn, mỗi loại này kíchhoạt sự đông đặc ở một nhiệt độ đặc trưng riêng. Tạp chất cónhiệt độ kết nhân cao nhất quyết định nhiệt độ tại đó nước đôngđặc.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 lạnhchúng 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 nómột điểm đông đặc cao hơn.Nếu sự chênh lệch đó là đủ lớn, thì hiệu ứng Mpemba sẽ xuấthiện. Brownridge chọn ra mẫu có nhiệt độ đông đặc tự nhiên caohơn để đun nóng lên 80oC, làm ấm mẫu kia lên tới nhiệt độphòng, rồi đưa các ống thử trở lại trong máy ướp lạnh. Nướcnóng sẽ luôn luôn đông đặc nhanh hơn nước lạnh nếu như điểmđông 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 chỉ5oC là tạo ra đủ sự chênh lệch, khi mẫu móng bắt đầu bị bỏ lại60oC phía sau cuộc đua. Nhưng sự chênh lệch giữa một vật vàmôi trường xung quanh của nó càng lớn – trong trường hợp nàylà máy ướp lạnh – thì nó lạnh đi càng nhanh. Cho nên, mẫu nóngsẽ thực hiện đa phần sự lạnh đi của nó rất nhanh, giúp nó đạt tớiđiểm đông đặc riêng của nó, nói thí dụ ở - 2oC, trước khi mẫunước 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 rằngnhững người khác đã không điều khiển các điều kiện thí nghiệmđủ 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 ướplạnh