Nước nóng và nước lạnh cái nào đông nhanh hơn năm 2024

Đã có một thời gian dài mọi người luôn thắc mắc câu hỏi này, hôm nay tôi sẽ chia sẽ với các đọc giả đang quan tâm về vấn đề này như sau, chia làm hai trường hợp:

1. TRƯỜNG HỢP THỨ NHẤT: cho hai cốc nước không phải là nước cất, một cốc được đun nóng, cốc còn lại thì không. Cho cả hai vào tủ lạnh quan sát thấy cốc được đun nóng đóng băng trước là do loại nước này không phải là nước nguyên chất mà nó ở dạng dung dịch các hạt keo. Khi đun nóng do nhiệt độ cao nó phá vỡ cấu trúc các hạt keo có trong dung dịch làm cho chúng kết tủa xuống đáy cốc (chẳng hạn như nước cứng). Vì thế, nồng độ trong dung dịch giảm, điểm kết tinh tiến gần 0oC, nhanh đông hơn so với cốc không được đun nóng. Hãy nhớ lại định luật Raoult "Độ giảm điểm đông đặc (điểm kết tinh) tỉ lệ với độ tăng nồng độ của dung dịch"

2 TRƯỜNG HỢP THỨ HAI: cả hai cốc nước đều là nước cất, hiện tượng cốc đun nóng đóng băng khi lạnh đông được gọi là Hiệu ứng Mpemba (lấy tên của hiệu ứng là tên của học viên phát hiện ra hiện tượng này). Hiệu ứng Mpemba do những đặc tính độc nhất vô nhị của các liên kết phân tử của nước gây ra.

Một phân tử nước được hình thành từ các liên kết cộng hóa trị giữa một nguyên tử oxy với 2 nguyên tử hyđro. Tuy nhiên, khi một nguyên tử hyđro của một phân tử nước trôi giạt tới gần nguyên tử oxy trong một phân tử nước khác, chúng kết nối với nhau, tạo thành một liên kết hyđro.

Các liên kết hyđro kéo các phân tử nước lại gần nhau hơn, làm khởi phát lực đẩy tự nhiên giữa chúng, khiến các liên kết cộng hóa trị oxy - hyđro bị kéo căng cũng như dự trữ năng lượng. Vì vậy, khi chất lỏng ấm nóng, nó khiến các phân tử nước ở cách xa nhau hơn do các liên kết hyđro bị kéo giãn.

Khi các phân tử nước co rút trở lại và tỏa năng lượng, dẫn đến tình trạng làm mát, đồng nghĩa với việc nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh, giúp lí giải Hiệu ứng Mpemba.

Tuy nhiên, một số chuyên gia vật lý lưu ý rằng, cách giải thích trên hiện không thể dùng để dự đoán các đặc tính mới của nước, vốn có thể được tạo ra từ cách làm ngắn các liên kết cộng hóa trị. Vì vậy, vẫn còn một bước cần giải quyết trước khi bí ẩn được giải đáp thỏa đáng.

CÁC BẠN NÀO NGHIÊN CỨU BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH NÀY MỘT CÁCH CÓ CƠ SỞ KHOA HỌC, LÀM SÁNG TỎ MỌI VẤN ĐỀ THÌ SẼ GIẢI QUYẾT ĐƯỢC MỘT VẤN ĐỀ CÓ Ý NGHĨA TRONG KHOA HỌC.

Bí ẩn có từ thời cổ đại này cho đến nay vẫn chưa có lời giải. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh mới đây đã treo thưởng 1.000 bảng cho ai đưa ra lời giải thích thuyết phục cho hiện tượng này.

Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh, một hiện tượng khó hiểu thời cổ đại. Ảnh Internet.

“Tại sao nước nóng đông cứng nhanh hơn nước lạnh?” - câu hỏi hóc búa này đã làm đau đầu những bộ óc vĩ đại nhất thế giới, kể từ thời nhà triết học Hy Lạp cổ đại Aristotle cho đến những nhà khoa học thời hiện đại. Aristotle đã nhận ra hiện tượng này và viết về nó từ năm 350 trước Công nguyên.

Bí ẩn về hiện tượng đông cứng của nước nóng cũng đã khiến các nhà khoa học như Francis Bacon (triết gia duy vật, nhà khoa học thực nghiệm thế kỷ 16-17) hay René Descartes (triết gia, nhà toán học người Pháp thế kỷ 17) phải bó tay.

Hiện tượng nói trên chỉ được mang một cái tên hiện đại là Hiệu ứng Mpemba vào năm 1968, khi một học sinh trung học người Tanzania, Erasto Mpemba đặt câu hỏi về nó với các giáo sư đến thăm trường. Sau một thời gian dài băn khoăn với hiện tượng khó hiểu, Mpemba đã hỏi giáo sư Denis Osborne, thuộc trường đại học Dar es Salamm rằng: “Nếu giáo sư lấy hai chiếc hộp giống nhau, chứa lượng nước bằng nhau, một bên nước có nhiệt độ 35 độ C và một bên 100 độ C, và bỏ vào tủ lạnh, bên nước nóng 100 độ C sẽ đông cứng trước. Tại sao vậy?”.

Triết gia Hy Lạp cổ đại Aristotle đã phát hiện và nhắc đến hiện tượng bí ẩn này từ cách đây 2.350 năm. Ảnh Internet.

Giáo sư Salamm đã không thể trả lời và khi nêu vấn đề này trên một tạp chí, ông gọi đó là “Hiệu ứng Mpemba”.

Nhiều tác dụng vật lý được cho là có liên quan đến hiện tượng nói trên, nhưng không tác dụng đơn lẻ nào được chứng minh là nguyên nhân chính. Các giả thuyết được đưa ra dựa trên hiện tượng bay hơi, đối lưu và làm chậm đông, tuy nhiên câu hỏi vẫn chưa được trả lời một cách thuyết phục.

Trong thông báo mới nhất, Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh đã ra thời hạn đến ngày 30/7/2012, những người quan tâm phải gửi câu trả lời và sau đó, các nhà khoa học xem xét và đưa ra kết luận nó có phải là lời giải thích thỏa đáng hay không.

Nghe chừng có vẻ bất hợp lý đến mức phản khoa học, nhưng khi đặt dưới những điều kiện nhất định, nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Hiện tượng kì lạ này đã được chính Aristotle phát hiện ra nhưng sau nhiều thế kỷ nỗ lực làm thí nghiệm để chứng minh nó, vẫn không có ai đưa ra được lời giải thích thỏa đáng.

Thời điểm hiện tại, các nhà vật lý học đang chỉ ra rằng một số thuộc tính kì lạ của liên kết hydrogen là chìa khóa để giải mã bí mật này. Nhưng một số nhà khoa học khác lại không hề đồng tình, họ nói rằng thứ “hiệu ứng Mpemba” này không hề tồn tại.

Nói thêm một chút về hiệu ứng Mpemba

Những tài liệu ghi lại về hiện tượng làm các nhà khoa học đau đầu này đã có từ thời Aristotle, tuy nhiên, tên của hiện tượng lại được đặt theo tên của một cậu học sinh trung học.

Đó là Erasto B. Mpemba người Tanzania. Mpemba tình cờ bắt gặp hiện tượng này lần đầu năm 1963 trong một lớp học nấu ăn tại trường cấp 2 Magamba, khi anh làm lạnh món kem trộn nóng (hỗn hợp trộn để làm kem – vẫn còn nóng trước khi cho vào tủ lạnh) và để ý thấy rằng nó đông cứng nhanh hơn kem trộn lạnh.

Sau khi tốt nghiệp, Mpemba chuyển lên học tại trường Mkwawa, tỉnh Iringa, Tanzania. Một lần, hiệu trưởng trường này đã mời Tiến sĩ Denis G. Osborne từ Đại học Dar Es đến giảng bài về vật lý học.

Erasto Mpemba và Denis Osborne.

Kết thúc bài giảng, Erasto Mpemba đã hỏi vị Tiến sĩ một câu: "Nếu ta có 2 cốc nước bằng nhau, một cốc nước nguội 35°C và một cốc nước nóng 100°C, cùng cho cả 2 cốc vào trong tủ đá thì cốc nước nóng lại đóng băng trước. Vậy giải thích tại sao?", cậu đã bị cả bạn bè và giáo viên chế nhạo vì câu hỏi tưởng chừng như vô lý đó.

Nhưng sau chút ngạc nhiên ban đầu, tiến sĩ Denis G. Osborne đã tiến hành thí nghiệm lại phát kiến đó tại nơi làm việc của mình, và đã xác nhận phát hiện của Erasto. Sau đó họ đã cùng công bố kết quả vào năm 1969.

Có nhiều vấn đề hóc búa xoay quanh hiệu ứng Mpemba này.

Nhiều người không coi đây là một sự thật hiển nhiên của vật lý nhưng nhiều nhà vật lý học dù công nhận chúng tồn tại lại không thể tìm ra được một lời giải thích thỏa đáng, chính xác cho hiện tượng này. Làm thế nào mà nước nóng có thể đạt tới điểm đông lạnh nhanh hơn nước lạnh, khi mà rõ ràng rằng nước lạnh có nhiệt độ nằm gần điểm đóng băng đó hơn?

Vấn đề còn nằm tại ngay chính những thử nghiệm, khi mà có người có thể khiến cho hiệu ứng Mpemba xuất hiện nhưng có người thì lại không. Cả hai bằng chứng đến từ hai kết quả thử nghiệm đã không đưa lại một lời giải thích hợp lý.

Nước sôi đóng tuyết ngay lập tức khi được hất ra không khí lạnh.

Hồi năm 2012, Cộng đồng Hóa học Hoàng Gia Anh đã tổ chức một cuộc thi lớn, đưa ra yêu cầu giải thích hiện tượng vật lý này. Hơn 22.000 kết quả nghiên cứu được các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới gửi về, nhưng không một lời giải thích nào có đủ sức thuyết phục cả.

Nhà báo khoa học Signe Dean làm việc tại National Geographic Úc đã viết:

“Giả thuyết được nêu ra và được chấp nhận rộng rãi nhất đó là nước nóng bốc hơi nhanh hơn, mất khối nhanh hơn và ví thế cần ít nhiệt để đóng băng hơn. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng đã tái hiện được hiệu ứng Mpemba trong một lồng chứa kín, nơi không thể diễn ra hiện tượng bay hơi.

Một giả thuyết khác cho rằng nước tạo ra một dòng đối lưu và một gradient nhiệt độ riêng khi nó nguội đi tới điểm đóng băng.

Một cốc nước nóng giảm nhiệt độ nhanh sẽ có một sự chênh lệch nhiệt độ cao hơn hẳn trong suốt quá trình nguội đi của nó, và bề mặt cốc nước sẽ mất nhiệt nhanh hơn, trong khi đó một cốc nước lạnh có ít chênh lệch nhiệt độ hơn, vì thế nó sẽ có ít dòng đối lưu hơn để đẩy nhanh được tốc độ làm lạnh.

Nhưng ý kiến này cũng chưa được công nhận chính thức”.

Cô Signe Dean.

Vậy là sau vài thế kỷ khám phá và tìm tòi, ta vẫn chưa có được câu trả lời thỏa đáng. Nhưng điều đó có thể thay đổi với nghiên cứu này.

Các nhà khoa học từ Đại học Hội Giám lý Phía Nam tại Dallas và Đại học Nam Kinh tại Trung Quốc nghĩ rằng họ đã tìm ra lời giải cho bí ẩn vật lý này: họ tìm ra những thuộc tính kì lạ trong mối liên kết giữa nguyên tử hydro và oxy trong phân tử nước.

Mô phỏng cụm phân tử nước trên máy tính cho thấy sức mạnh của liên kết hydro phụ thuộc vào vị trí của chúng so với các phân tử nước kế bên cạnh.

“Khi nước được đun nóng, những liên kết yếu sẽ bị bẻ gãy, những nhóm phân tử tự do sẽ kết hợp lại thành cấu trúc băng khi nhiệt độ giảm xuống, chính chúng là bước xuất phát trước cho quá trình nước đóng băng”, nhà nghiên cứu Emily Conover nói.

“Đối với nước lạnh, để có thể biến thành băng, những liên kết hydro yếu sẽ phải bị bẻ gãy trước”. Điều mà nước nóng đã làm được sẵn rồi, có thể giải thích được tại sao nước nóng lại đóng băng nhanh hơn.

Đội ngũ nghiên cứu từ hai trường đại học đã kết luận như sau:

“Phân tích đã dẫn chúng tới tới khả năng tìm ra được lời giải thích cho hiệu ứng Mpemba. Trong nước ấm, những liên kết hydro yếu có nhiều tĩnh điện sẽ bị bẻ gãy, những liên kết mạnh mẽ vẫn duy trì được sau quá trình đun nước sẽ đẩy nhanh quá trình tạo cấu trúc tinh thể đá, từ đó đẩy nhanh quá trình đóng băng.

Vì vậy, nước nóng đóng băng lâu hơn nhờ sự biến chuyển của nước không tốn năng lượng và thời gian như với nước lạnh”.

Trước nghiên cứu này, ta cũng đã có rất nhiều lời giải thích rồi, vì thế ta vẫn phải cần những thí nghiệm thực sự có thể làm bằng chứng chứng minh cho hiệu ứng Mpemba – ta cần những bằng chứng thực sự thuyết phục.

Trong một bản báo cáo khoa học gần đây từ đội ngũ thuộc Đại học Hoàng gia London, ta lại có một kết quả nghiên cứu khác, khi mà họ tiến hành đo đạc thời gian nước nóng và nước lạnh xuống được tới 0 độ C.

Quá nhiều những thử nghiệm chứng minh qua lại khiến những người thắc mắc cũng như chính các nhà khoa học vò đầu bứt tai. Hiện tượng vật lý kì lạ này vẫn chưa được sáng tỏ sau nhiều thế kỷ và có vẻ còn lâu ta mới tìm ra được nguyên nhân.