21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev
« Nước nào đóng băng nhanh hơn, lạnh hay nóng?“- hãy thử hỏi bạn bè của bạn một câu hỏi, rất có thể hầu hết họ sẽ trả lời rằng nước lạnh đóng băng nhanh hơn - và họ sẽ mắc sai lầm.
Trên thực tế, nếu bạn đặt đồng thời hai bình có hình dạng và thể tích giống nhau vào tủ đông, một bình chứa nước lạnh và bình kia chứa nước nóng, thì nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn.
Một tuyên bố như vậy có vẻ vô lý và không hợp lý. Nếu bạn làm theo logic, thì nước nóng trước tiên phải nguội đến nhiệt độ của nước lạnh, và nước lạnh lúc này đã biến thành băng.
Vậy tại sao nước nóng lại đánh bại nước lạnh trên đường đóng băng? Hãy cố gắng tìm ra nó.
Lịch sử quan sát và nghiên cứu
Người ta đã quan sát hiệu ứng nghịch lý này từ xa xưa nhưng không ai coi trọng nó. Do đó, Arestotle, cũng như Rene Descartes và Francis Bacon, đã lưu ý trong ghi chú của họ sự không nhất quán về tốc độ đóng băng của nước lạnh và nước nóng. Một hiện tượng bất thường thường xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày.
Trong một thời gian dài, hiện tượng này không được nghiên cứu dưới bất kỳ hình thức nào và không thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.
Nghiên cứu về hiệu ứng bất thường này bắt đầu vào năm 1963, khi một cậu học sinh tò mò đến từ Tanzania, Erasto Mpemba, nhận thấy rằng sữa nóng để làm kem đông lạnh nhanh hơn sữa lạnh. Mong nhận được lời giải thích nguyên nhân dẫn đến hiện tượng bất thường, chàng trai đã hỏi giáo viên vật lý ở trường. Tuy nhiên, giáo viên chỉ cười nhạo anh ta.
Sau đó, Mpemba lặp lại thí nghiệm, nhưng trong thí nghiệm của mình, ông không còn dùng sữa nữa mà dùng nước, và hiệu ứng nghịch lý lại được lặp lại.
6 năm sau, vào năm 1969, Mpemba hỏi câu hỏi này với giáo sư vật lý Dennis Osborne, người đã đến trường ông. Giáo sư quan tâm đến quan sát của chàng trai trẻ, và kết quả là một thí nghiệm đã được tiến hành để xác nhận sự hiện diện của hiệu ứng này, nhưng nguyên nhân của hiện tượng này vẫn chưa được xác định.
Kể từ đó hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Mpemba.
Trong suốt lịch sử quan sát khoa học, nhiều giả thuyết đã được đưa ra về nguyên nhân của hiện tượng này.
Vì vậy, vào năm 2012, Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh sẽ công bố một cuộc thi về các giả thuyết giải thích hiệu ứng Mpemba. Các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới tham gia cuộc thi; có tổng cộng 22.000 bài báo khoa học đã được đăng ký. Mặc dù có số lượng bài báo ấn tượng như vậy nhưng không bài nào trong số đó làm sáng tỏ nghịch lý Mpemba.
Phiên bản phổ biến nhất là theo đó nước nóng đóng băng nhanh hơn, vì đơn giản là nó bay hơi nhanh hơn, thể tích của nó trở nên nhỏ hơn và khi thể tích giảm, tốc độ làm mát của nó tăng lên. Phiên bản phổ biến nhất cuối cùng đã bị bác bỏ vì một thí nghiệm đã được tiến hành trong đó loại trừ sự bay hơi, nhưng hiệu quả vẫn được xác nhận.
Các nhà khoa học khác cho rằng nguyên nhân gây ra hiệu ứng Mpemba là do sự bay hơi của các khí hòa tan trong nước. Theo ý kiến của họ, trong quá trình đun nóng, các khí hòa tan trong nước sẽ bay hơi, do đó nó thu được mật độ cao hơn nước lạnh. Như đã biết, sự gia tăng mật độ dẫn đến sự thay đổi tính chất vật lý của nước (tăng độ dẫn nhiệt), và do đó làm tăng tốc độ làm mát.
Ngoài ra, một số giả thuyết đã được đưa ra mô tả tốc độ hoàn lưu của nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiều nghiên cứu đã cố gắng thiết lập mối quan hệ giữa vật liệu của các thùng chứa chất lỏng. Nhiều lý thuyết có vẻ rất hợp lý, nhưng chúng không thể được xác nhận một cách khoa học do thiếu dữ liệu ban đầu, mâu thuẫn trong các thí nghiệm khác hoặc vì các yếu tố được xác định đơn giản là không thể so sánh được với tốc độ làm mát của nước. Một số nhà khoa học trong công trình của họ đã đặt câu hỏi về sự tồn tại của hiệu ứng này.
Năm 2013, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore tuyên bố đã giải đáp được bí ẩn về hiệu ứng Mpemba. Theo nghiên cứu của họ, nguyên nhân của hiện tượng này nằm ở chỗ lượng năng lượng dự trữ trong liên kết hydro giữa các phân tử nước lạnh và nước nóng khác nhau đáng kể.
Phương pháp mô hình hóa trên máy tính cho kết quả như sau: nhiệt độ nước càng cao thì khoảng cách giữa các phân tử càng lớn do lực đẩy tăng lên. Do đó, liên kết hydro của các phân tử giãn ra, tích trữ nhiều năng lượng hơn. Khi nguội đi, các phân tử bắt đầu di chuyển lại gần nhau hơn, giải phóng năng lượng từ các liên kết hydro. Trong trường hợp này, sự giải phóng năng lượng đi kèm với việc giảm nhiệt độ.
Vào tháng 10 năm 2017, các nhà vật lý Tây Ban Nha, trong quá trình thực hiện một nghiên cứu khác, đã phát hiện ra rằng vai trò chính trong việc hình thành hiệu ứng là do việc loại bỏ một chất khỏi trạng thái cân bằng (nung nóng mạnh trước khi làm lạnh mạnh). Họ xác định các điều kiện mà theo đó khả năng xảy ra hiệu ứng là tối đa. Ngoài ra, các nhà khoa học Tây Ban Nha cũng xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng Mpemba ngược. Họ phát hiện ra rằng khi đun nóng, mẫu lạnh hơn có thể đạt đến nhiệt độ cao nhanh hơn mẫu ấm hơn.
Mặc dù có thông tin đầy đủ và nhiều thí nghiệm, các nhà khoa học vẫn có ý định tiếp tục nghiên cứu tác dụng.
Hiệu ứng Mpemba trong đời thực
Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao vào mùa đông sân trượt băng lại có nước nóng mà không lạnh không? Như bạn đã hiểu, họ làm điều này bởi vì một sân trượt băng chứa đầy nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn so với khi nó chứa đầy nước lạnh. Vì lý do tương tự, nước nóng được đổ vào các đường trượt ở các thị trấn băng giá mùa đông.
Vì vậy, kiến thức về sự tồn tại của hiện tượng này cho phép mọi người tiết kiệm thời gian khi chuẩn bị địa điểm cho các môn thể thao mùa đông.
Ngoài ra, hiệu ứng Mpemba đôi khi được ứng dụng trong công nghiệp nhằm giảm thời gian đông đặc của các sản phẩm, chất, vật liệu chứa nước.
Hiệu ứng Mpemba hay tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh? Hiệu ứng Mpemba (Nghịch lý Mpemba) là một nghịch lý nói rằng nước nóng trong một số điều kiện đóng băng nhanh hơn nước lạnh, mặc dù nó phải vượt qua nhiệt độ của nước lạnh trong quá trình đóng băng. Nghịch lý này là một thực tế thực nghiệm mâu thuẫn với những ý tưởng thông thường, theo đó, trong cùng điều kiện, một vật nóng hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn để làm mát đến một nhiệt độ nhất định so với một vật ít nóng hơn để nguội đến cùng nhiệt độ. Hiện tượng này đã từng được Aristotle, Francis Bacon và Rene Descartes chú ý đến, nhưng chỉ đến năm 1963, cậu học sinh người Tanzania Erasto Mpemba mới phát hiện ra rằng hỗn hợp kem nóng đông lạnh nhanh hơn hỗn hợp kem lạnh. Khi còn là học sinh tại trường trung học Magambi ở Tanzania, Erasto Mpemba đã làm công việc đầu bếp thực tế. Anh ấy cần tự làm kem - đun sôi sữa, hòa tan đường trong đó, để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó cho vào tủ lạnh để đông lại. Rõ ràng, Mpemba không phải là một học sinh đặc biệt siêng năng và đã trì hoãn việc hoàn thành phần đầu tiên của nhiệm vụ. Sợ rằng mình sẽ không thể làm được vào cuối buổi học, anh ấy đã bỏ sữa còn nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó đông cứng thậm chí còn sớm hơn cả sữa của đồng đội anh, được pha chế theo công nghệ nhất định. Sau đó, Mpemba không chỉ thử nghiệm với sữa mà còn với nước thông thường. Trong mọi trường hợp, khi còn là học sinh tại Trường Trung học Mkwava, anh đã hỏi Giáo sư Dennis Osborne từ Đại học Cao đẳng ở Dar Es Salaam (được giám đốc trường mời giảng về vật lý cho học sinh) cụ thể về nước: “Nếu bạn lấy hai thùng chứa giống hệt nhau có thể tích nước bằng nhau sao cho nước ở một thùng có nhiệt độ 35°C, thùng kia có nhiệt độ 100°C, rồi cho chúng vào ngăn đá, sau đó ở thùng thứ hai nước sẽ đóng băng nhanh hơn. Tại sao? Osborne bắt đầu quan tâm đến vấn đề này và ngay sau đó, vào năm 1969, ông và Mpemba đã công bố kết quả thí nghiệm của họ trên tạp chí Giáo dục Vật lý. Kể từ đó, hiệu ứng họ phát hiện được gọi là hiệu ứng Mpemba. Cho đến nay, không ai biết chính xác lý giải hiệu ứng kỳ lạ này như thế nào. Các nhà khoa học không có một phiên bản duy nhất, mặc dù có rất nhiều. Tất cả là về sự khác biệt về tính chất của nước nóng và nước lạnh, nhưng vẫn chưa rõ đặc tính nào đóng vai trò trong trường hợp này: sự khác biệt về quá trình siêu lạnh, bay hơi, hình thành băng, đối lưu hoặc ảnh hưởng của khí hóa lỏng lên nước tại nhiệt độ khác nhau. Nghịch lý của hiệu ứng Mpemba là thời gian cơ thể nguội đi đến nhiệt độ môi trường sẽ tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể này và môi trường. Định luật này do Newton thiết lập và kể từ đó đã được xác nhận nhiều lần trong thực tế. Trong hiệu ứng này, nước có nhiệt độ 100°C nguội đi đến nhiệt độ 0°C nhanh hơn so với cùng một lượng nước có nhiệt độ 35°C. Tuy nhiên, điều này chưa hàm ý một nghịch lý, vì hiệu ứng Mpemba có thể được giải thích trong khuôn khổ vật lý đã biết. Dưới đây là một số giải thích cho hiệu ứng Mpemba: Sự bay hơi Nước nóng bay hơi nhanh hơn từ thùng chứa, do đó làm giảm thể tích của nó và một lượng nước nhỏ hơn ở cùng nhiệt độ sẽ đóng băng nhanh hơn. Nước được làm nóng đến 100 C mất 16% khối lượng khi được làm lạnh đến 0 C. Hiệu ứng bay hơi là hiệu ứng kép. Thứ nhất, lượng nước cần thiết để làm mát giảm. Và thứ hai, nhiệt độ giảm do nhiệt bay hơi của quá trình chuyển từ pha nước sang pha hơi giảm. Chênh lệch nhiệt độ Do chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và không khí lạnh lớn hơn nên quá trình trao đổi nhiệt trong trường hợp này diễn ra mạnh mẽ hơn và nước nóng nguội đi nhanh hơn. Hạ thân nhiệt Khi nước nguội đi dưới 0 C, nó không phải lúc nào cũng đóng băng. Trong một số điều kiện, nó có thể trải qua quá trình siêu lạnh, tiếp tục duy trì trạng thái lỏng ở nhiệt độ dưới mức đóng băng. Trong một số trường hợp, nước có thể vẫn ở dạng lỏng ngay cả ở nhiệt độ -20 C. Sở dĩ có hiệu ứng này là vì để những tinh thể băng đầu tiên bắt đầu hình thành, cần có các trung tâm hình thành tinh thể. Nếu chúng không hiện diện trong nước lỏng thì quá trình siêu lạnh sẽ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ giảm đủ để các tinh thể bắt đầu hình thành một cách tự nhiên. Khi chúng bắt đầu hình thành trong chất lỏng siêu lạnh, chúng sẽ bắt đầu phát triển nhanh hơn, tạo thành băng bùn, đá này sẽ đóng băng để tạo thành băng. Nước nóng dễ bị hạ thân nhiệt nhất vì đun nóng sẽ loại bỏ các khí hòa tan và bong bóng, do đó có thể đóng vai trò là trung tâm hình thành các tinh thể băng. Tại sao hạ thân nhiệt khiến nước nóng đóng băng nhanh hơn? Trong trường hợp nước lạnh không được làm lạnh quá mức, điều sau đây sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt bình. Lớp băng này sẽ hoạt động như một chất cách nhiệt giữa nước và không khí lạnh và sẽ ngăn chặn sự bốc hơi thêm. Tốc độ hình thành tinh thể băng trong trường hợp này sẽ thấp hơn. Trong trường hợp nước nóng được làm siêu lạnh, nước siêu lạnh không có lớp băng bảo vệ bề mặt. Do đó, nó mất nhiệt nhanh hơn nhiều qua phần trên mở. Khi quá trình siêu lạnh kết thúc và nước đóng băng, lượng nhiệt bị mất đi nhiều hơn và do đó tạo thành nhiều băng hơn. Nhiều nhà nghiên cứu về hiệu ứng này coi việc hạ thân nhiệt là yếu tố chính trong trường hợp hiệu ứng Mpemba. Đối lưu Nước lạnh bắt đầu đóng băng từ phía trên, do đó làm xấu đi quá trình bức xạ nhiệt và đối lưu, dẫn đến mất nhiệt, trong khi nước nóng bắt đầu đóng băng từ bên dưới. Hiệu ứng này được giải thích là do sự bất thường về mật độ nước. Nước có mật độ tối đa là 4 C. Nếu bạn làm lạnh nước đến 4 C và đặt ở nhiệt độ thấp hơn, lớp nước bề mặt sẽ đóng băng nhanh hơn. Vì nước này nhẹ hơn nước ở nhiệt độ 4 độ C nên sẽ đọng lại trên bề mặt, tạo thành một lớp lạnh mỏng. Trong những điều kiện này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt nước trong thời gian ngắn, nhưng lớp băng này sẽ đóng vai trò là chất cách nhiệt, bảo vệ các lớp nước bên dưới, giúp lớp nước này duy trì ở nhiệt độ 4 độ C. Vì vậy, quá trình làm mát tiếp theo sẽ chậm hơn. Trong trường hợp nước nóng, tình hình hoàn toàn khác. Lớp nước bề mặt sẽ nguội nhanh hơn do bốc hơi và chênh lệch nhiệt độ lớn hơn. Ngoài ra, lớp nước lạnh dày đặc hơn lớp nước nóng nên lớp nước lạnh sẽ chìm xuống, nâng lớp nước ấm lên trên bề mặt. Sự tuần hoàn nước này đảm bảo nhiệt độ giảm nhanh chóng. Nhưng tại sao quá trình này không đạt đến điểm cân bằng? Để giải thích hiệu ứng Mpemba theo quan điểm đối lưu này, cần phải giả định rằng các lớp nước lạnh và nóng được tách ra và quá trình đối lưu vẫn tiếp tục sau khi nhiệt độ trung bình của nước giảm xuống dưới 4 C. Tuy nhiên, không có dữ liệu thực nghiệm sẽ xác nhận giả thuyết này rằng các lớp nước lạnh và nóng được ngăn cách bởi quá trình đối lưu. Các khí hòa tan trong nước Nước luôn chứa các khí hòa tan trong đó - oxy và carbon dioxide. Những loại khí này có khả năng làm giảm điểm đóng băng của nước. Khi nước được làm nóng, các khí này thoát ra khỏi nước vì độ hòa tan trong nước của chúng thấp hơn ở nhiệt độ cao. Vì vậy, khi nước nóng nguội đi, nó luôn chứa ít khí hòa tan hơn so với nước lạnh không được làm nóng. Do đó, điểm đóng băng của nước nóng cao hơn và đóng băng nhanh hơn. Yếu tố này đôi khi được coi là yếu tố chính giải thích hiệu ứng Mpemba, mặc dù không có dữ liệu thực nghiệm nào xác nhận thực tế này. Độ dẫn nhiệt Cơ chế này có thể đóng một vai trò quan trọng khi nước được đặt trong ngăn đá ngăn mát tủ lạnh trong các thùng chứa nhỏ. Trong những điều kiện này, người ta đã quan sát thấy rằng thùng chứa nước nóng sẽ làm tan băng trong ngăn đông bên dưới, nhờ đó cải thiện sự tiếp xúc nhiệt với thành ngăn đông và độ dẫn nhiệt. Kết quả là nhiệt thoát ra khỏi bình nước nóng nhanh hơn so với bình nước lạnh. Đổi lại, một thùng chứa nước lạnh không làm tan tuyết bên dưới. Tất cả những điều kiện này (cũng như những điều kiện khác) đã được nghiên cứu trong nhiều thí nghiệm, nhưng chưa bao giờ có được câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi - điều kiện nào trong số chúng cung cấp khả năng tái tạo một trăm phần trăm hiệu ứng Mpemba - chưa bao giờ có được. Ví dụ, vào năm 1995, nhà vật lý người Đức David Auerbach đã nghiên cứu ảnh hưởng của nước siêu lạnh lên hiệu ứng này. Ông phát hiện ra rằng nước nóng, đạt đến trạng thái siêu lạnh, đóng băng ở nhiệt độ cao hơn nước lạnh, và do đó nhanh hơn nước lạnh. Nhưng nước lạnh đạt đến trạng thái siêu lạnh nhanh hơn nước nóng, từ đó bù đắp cho độ trễ trước đó. Ngoài ra, kết quả của Auerbach mâu thuẫn với dữ liệu trước đó cho rằng nước nóng có thể đạt được hiệu suất siêu lạnh lớn hơn do có ít trung tâm kết tinh hơn. Khi nước được đun nóng, các khí hòa tan trong đó sẽ bị loại bỏ và khi đun sôi, một số muối hòa tan trong đó sẽ kết tủa. Hiện tại, chỉ có thể khẳng định một điều - việc tái tạo hiệu ứng này phụ thuộc đáng kể vào các điều kiện mà thí nghiệm được thực hiện. Chính xác là vì nó không phải lúc nào cũng được sao chép. O. V. Mosin
Nhiều nhà nghiên cứu đã và đang đưa ra những phiên bản của riêng họ về lý do tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Nó có vẻ như là một nghịch lý - xét cho cùng, để đóng băng, nước nóng trước tiên phải nguội. Tuy nhiên, sự thật vẫn là sự thật và các nhà khoa học giải thích nó theo nhiều cách khác nhau.
Phiên bản chính
Hiện tại, có một số phiên bản giải thích sự thật này:
- Vì nước nóng bay hơi nhanh hơn nên thể tích của nó giảm đi. Và việc đóng băng một lượng nước nhỏ hơn ở cùng nhiệt độ xảy ra nhanh hơn.
- Ngăn đá của tủ lạnh có lớp lót tuyết. Một thùng chứa nước nóng làm tan tuyết bên dưới. Điều này cải thiện sự tiếp xúc nhiệt với tủ đông.
- Sự đóng băng của nước lạnh, không giống như nước nóng, bắt đầu từ phía trên. Đồng thời, sự đối lưu và bức xạ nhiệt, và do đó, sự mất nhiệt trở nên trầm trọng hơn.
- Nước lạnh chứa các trung tâm kết tinh - các chất hòa tan trong đó. Nếu hàm lượng của chúng trong nước nhỏ thì rất khó đóng băng, mặc dù đồng thời có thể xảy ra hiện tượng siêu lạnh - khi ở nhiệt độ dưới 0, nó có trạng thái lỏng.
Mặc dù công bằng mà nói, chúng ta có thể nói rằng hiệu ứng này không phải lúc nào cũng được quan sát thấy. Rất thường xuyên, nước lạnh đóng băng nhanh hơn nước nóng.
Ở nhiệt độ nào nước đóng băng
Tại sao nước lại đóng băng? Nó chứa một lượng nhất định các hạt khoáng chất hoặc hữu cơ. Ví dụ, đây có thể là những hạt cát, bụi hoặc đất sét rất nhỏ. Khi nhiệt độ không khí giảm, những hạt này là trung tâm hình thành các tinh thể băng.
Vai trò của các hạt nhân kết tinh cũng có thể được thực hiện bởi các bọt khí và các vết nứt trong thùng chứa nước. Tốc độ của quá trình biến nước thành băng bị ảnh hưởng phần lớn bởi số lượng trung tâm như vậy - nếu có nhiều trung tâm như vậy, chất lỏng sẽ đóng băng nhanh hơn. Trong điều kiện bình thường, với áp suất khí quyển bình thường, nước chuyển sang trạng thái rắn từ chất lỏng ở nhiệt độ 0 độ.
Bản chất của hiệu ứng Mpemba
Hiệu ứng Mpemba là một nghịch lý, bản chất của nó là trong một số trường hợp nhất định, nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Hiện tượng này đã được Aristotle và Descartes chú ý. Tuy nhiên, phải đến năm 1963, cậu học sinh người Tanzania Erasto Mpemba mới xác định được rằng kem nóng đông cứng trong thời gian ngắn hơn kem lạnh. Anh ấy đưa ra kết luận này khi đang hoàn thành nhiệm vụ nấu ăn.
Anh ta phải hòa tan đường trong sữa đun sôi và để nguội rồi cho vào tủ lạnh để đông lại. Rõ ràng, Mpemba không đặc biệt siêng năng và bắt đầu hoàn thành phần đầu tiên của nhiệm vụ muộn. Vì vậy, anh không đợi sữa nguội mà cho vào tủ lạnh cho nóng. Anh ấy rất ngạc nhiên khi nó đóng băng thậm chí còn nhanh hơn so với các bạn cùng lớp đang làm công việc theo công nghệ nhất định.
Sự thật này khiến chàng trai trẻ rất thích thú và anh bắt đầu thí nghiệm với nước thường. Năm 1969, tạp chí Giáo dục Vật lý công bố kết quả nghiên cứu của Mpemba và Giáo sư Dennis Osborne thuộc Đại học Dar Es Salaam. Hiệu ứng mà họ mô tả được đặt tên là Mpemba. Tuy nhiên, ngay cả ngày nay vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng cho hiện tượng này. Tất cả các nhà khoa học đều đồng ý rằng vai trò chính trong vấn đề này thuộc về sự khác biệt về tính chất của nước lạnh và nước nóng, nhưng chính xác thì vẫn chưa biết chính xác là gì.
phiên bản singapore
Các nhà vật lý từ một trong những trường đại học Singapore cũng quan tâm đến câu hỏi nước nào đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh? Một nhóm các nhà nghiên cứu do Xi Zhang dẫn đầu đã giải thích nghịch lý này một cách chính xác bằng các đặc tính của nước. Mọi người đều biết thành phần của nước ở trường - một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Ở một mức độ nào đó, oxy kéo các electron ra khỏi hydro, vì vậy phân tử này là một loại “nam châm” nhất định.
Kết quả là một số phân tử trong nước hơi bị hút vào nhau và được liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Sức mạnh của nó thấp hơn nhiều lần so với liên kết cộng hóa trị. Các nhà nghiên cứu Singapore tin rằng lời giải thích cho nghịch lý Mpemba nằm chính xác ở các liên kết hydro. Nếu các phân tử nước được đặt rất chặt chẽ với nhau thì sự tương tác mạnh mẽ như vậy giữa các phân tử có thể làm biến dạng liên kết cộng hóa trị ở giữa phân tử.
Nhưng khi nước được làm nóng, các phân tử liên kết sẽ di chuyển ra xa nhau một chút. Kết quả là, sự giãn ra của các liên kết cộng hóa trị xảy ra ở giữa các phân tử với sự giải phóng năng lượng dư thừa và chuyển sang mức năng lượng thấp hơn. Điều này dẫn đến thực tế là nước nóng bắt đầu nguội đi nhanh chóng. Ít nhất, đây là những gì các tính toán lý thuyết do các nhà khoa học Singapore thực hiện cho thấy.
Làm nước đóng băng tức thì - 5 thủ thuật khó tin: Video
Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh đang trao phần thưởng trị giá 1.000 bảng Anh cho bất kỳ ai có thể giải thích một cách khoa học tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong một số trường hợp.
“Khoa học hiện đại vẫn chưa thể trả lời được câu hỏi tưởng chừng đơn giản này. Những người làm kem và nhân viên pha chế sử dụng hiệu ứng này trong công việc hàng ngày của họ, nhưng không ai thực sự biết tại sao nó lại có tác dụng. Giáo sư David Phillips, chủ tịch Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh, cho biết trong một thông cáo báo chí của Hiệp hội, vấn đề này đã được biết đến trong nhiều thiên niên kỷ, và các nhà triết học như Aristotle và Descartes đã suy nghĩ về nó.
Làm thế nào một đầu bếp đến từ Châu Phi đánh bại một giáo sư vật lý người Anh
Đây không phải là trò đùa Cá tháng Tư mà là một hiện thực khắc nghiệt về mặt vật lý. Khoa học hiện đại, vốn dễ dàng vận hành với các thiên hà và lỗ đen, cũng như chế tạo các máy gia tốc khổng lồ để tìm kiếm quark và boson, không thể giải thích cách thức hoạt động của nước cơ bản. Sách giáo khoa của trường ghi rõ rằng cần nhiều thời gian để làm mát một cơ thể nóng hơn là làm mát một cơ thể lạnh. Nhưng đối với nước, định luật này không phải lúc nào cũng được tuân thủ. Aristotle đã thu hút sự chú ý đến nghịch lý này vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên. đ. Đây là những gì người Hy Lạp cổ đại đã viết trong cuốn sách Khí tượng học I của mình: “Việc nước được làm nóng trước khiến nó đóng băng. Vì vậy, nhiều người khi muốn nước nóng nguội nhanh hơn thì trước tiên hãy đem nó ra phơi nắng…” Vào thời Trung cổ, Francis Bacon và Rene Descartes đã cố gắng giải thích hiện tượng này. Than ôi, cả các nhà triết học vĩ đại lẫn vô số nhà khoa học phát triển vật lý nhiệt cổ điển đều không thành công trong việc này, và do đó một sự thật bất tiện như vậy đã bị “lãng quên” trong một thời gian dài.
Và chỉ đến năm 1968, họ mới “nhớ” nhờ cậu học sinh Erasto Mpembe đến từ Tanzania, khác xa với bất kỳ ngành khoa học nào. Khi đang học tại trường nghệ thuật ẩm thực năm 1963, Mpembe 13 tuổi được giao nhiệm vụ làm kem. Theo công nghệ, cần phải đun sôi sữa, hòa tan đường trong đó, để nguội đến nhiệt độ phòng rồi cho vào tủ lạnh để đông lại. Rõ ràng, Mpemba không phải là một học sinh siêng năng và do dự. Sợ rằng mình sẽ không thể làm được vào cuối buổi học, anh ấy đã bỏ sữa còn nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó đông cứng thậm chí còn sớm hơn cả sữa của đồng đội anh, được pha chế theo mọi quy tắc.
Khi Mpemba chia sẻ khám phá của mình với giáo viên vật lý, ông đã cười nhạo ông trước mặt cả lớp. Mpemba nhớ lại sự xúc phạm. Năm năm sau, khi đã là sinh viên của trường đại học Dar es Salaam, anh đã tham dự buổi thuyết trình của nhà vật lý nổi tiếng Denis G. Osborne. Sau bài giảng, ông hỏi nhà khoa học một câu hỏi: “Nếu bạn lấy hai thùng chứa giống hệt nhau chứa lượng nước bằng nhau, một thùng có nhiệt độ 35 °C (95 °F) và thùng kia có nhiệt độ 100 °C (212 °F) và đặt chúng vào. trong ngăn đá, khi đó Nước đựng trong bình nóng sẽ đông cứng nhanh hơn. Tại sao?" Bạn có thể tưởng tượng phản ứng của một giáo sư người Anh trước câu hỏi của một chàng trai trẻ đến từ Godforsaken Tanzania. Anh ta trêu chọc học sinh. Tuy nhiên, Mpemba đã sẵn sàng cho câu trả lời như vậy và thách thức nhà khoa học đặt cược. Cuộc tranh chấp của họ kết thúc bằng một bài kiểm tra thử nghiệm xác nhận Mpemba đúng và Osborne đã đánh bại. Vì vậy, người đầu bếp tập sự đã ghi tên mình vào lịch sử khoa học và từ nay trở đi hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng Mpemba”. Không thể loại bỏ nó, tuyên bố nó là “không tồn tại”. Hiện tượng này tồn tại, và như nhà thơ đã viết, “nó không gây đau đớn gì cả”.
Các hạt bụi và chất hòa tan có phải là nguyên nhân không?
Trong nhiều năm, nhiều người đã cố gắng làm sáng tỏ bí ẩn về nước đóng băng. Hàng loạt lời giải thích cho hiện tượng này đã được đưa ra: sự bay hơi, sự đối lưu, ảnh hưởng của các chất hòa tan - nhưng không yếu tố nào trong số này có thể được coi là dứt khoát. Một số nhà khoa học đã cống hiến cả cuộc đời mình cho hiệu ứng Mpemba. James Brownridge, thành viên Khoa An toàn Bức xạ tại Đại học Bang New York, đã nghiên cứu nghịch lý này trong thời gian rảnh rỗi của mình trong một thập kỷ. Sau khi tiến hành hàng trăm thí nghiệm, nhà khoa học tuyên bố có bằng chứng về “tội” hạ thân nhiệt. Brownridge giải thích rằng ở 0°C, nước chỉ trở nên siêu lạnh và bắt đầu đóng băng khi nhiệt độ xuống dưới. Điểm đóng băng được điều chỉnh bởi các tạp chất trong nước - chúng làm thay đổi tốc độ hình thành các tinh thể băng. Các tạp chất, chẳng hạn như các hạt bụi, vi khuẩn và muối hòa tan, có nhiệt độ tạo mầm đặc trưng khi các tinh thể băng hình thành xung quanh các trung tâm kết tinh. Khi một số nguyên tố có mặt trong nước cùng một lúc, điểm đóng băng được xác định bởi điểm có nhiệt độ tạo mầm cao nhất.
Để thực hiện thí nghiệm, Brownridge lấy hai mẫu nước có cùng nhiệt độ và đặt chúng vào tủ đông. Ông phát hiện ra rằng một trong các mẫu vật luôn đóng băng trước mẫu kia, có lẽ là do sự kết hợp khác nhau của các tạp chất.
Brownridge cho biết nước nóng nguội nhanh hơn vì có sự chênh lệch lớn hơn giữa nhiệt độ của nước và ngăn đông - điều này giúp nước nóng đạt đến điểm đóng băng trước khi nước lạnh đạt đến điểm đóng băng tự nhiên, thấp hơn ít nhất 5°C.
Tuy nhiên, lý luận của Brownridge đặt ra nhiều câu hỏi. Vì vậy, ai giải thích được hiệu ứng Mpemba theo cách riêng của mình sẽ có cơ hội tranh giải một nghìn bảng Anh từ Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét câu hỏi tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh.
Nước nóng đóng băng nhanh hơn nhiều so với nước lạnh! Đặc tính tuyệt vời này của nước, mà các nhà khoa học vẫn chưa thể tìm ra lời giải thích chính xác, đã được biết đến từ thời cổ đại. Ví dụ, ngay cả trong Aristotle cũng có một mô tả về câu cá vào mùa đông: ngư dân nhét cần câu vào các lỗ trên băng, và để đông cứng nhanh hơn, họ đổ nước ấm lên băng. Hiện tượng này được đặt theo tên của Erasto Mpemba vào những năm 60 của thế kỷ 20. Mnemba nhận thấy một hiệu ứng kỳ lạ khi làm kem và quay sang giáo viên vật lý của mình, Tiến sĩ Denis Osborne, để được giải thích. Mpemba và Tiến sĩ Osborne đã thử nghiệm nước ở các nhiệt độ khác nhau và kết luận rằng hầu như nước sôi bắt đầu đóng băng nhanh hơn nhiều so với nước ở nhiệt độ phòng. Các nhà khoa học khác đã tiến hành thí nghiệm của riêng họ và mỗi lần đều thu được kết quả tương tự.
Giải thích hiện tượng vật lý
Không có lời giải thích chung được chấp nhận cho lý do tại sao điều này xảy ra. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng toàn bộ vấn đề nằm ở quá trình siêu lạnh của chất lỏng, xảy ra khi nhiệt độ của nó giảm xuống dưới điểm đóng băng. Nói cách khác, nếu nước đóng băng ở nhiệt độ dưới 0°C, thì nước siêu lạnh có thể có nhiệt độ, chẳng hạn như -2°C và vẫn ở dạng lỏng mà không biến thành băng. Khi chúng ta cố gắng đóng băng nước lạnh, có khả năng nó sẽ trở nên siêu lạnh và chỉ cứng lại sau một thời gian. Các quá trình khác xảy ra trong nước nóng. Sự biến đổi nhanh hơn của nó thành băng có liên quan đến sự đối lưu.
đối lưu- đây là một hiện tượng vật lý trong đó các lớp ấm phía dưới của chất lỏng nổi lên và các lớp phía trên, nguội đi, rơi xuống.
