Vì sao nước sôi bị đóng băng trong tích tắc khi hắt lên trời giữa nền nhiệt -44 độ C?

Chắc hẳn các bạn đã từng xem các đoạn video đăng tải trên Internet, quay lại cảnh một số người cầm bình nước nóng hắt nước sôi lên trời giữa nền nhiệt mức -40 hoặc -50 độ C. Đáng chú ý, lượng nước sôi này đóng băng chỉ trong tích tắc, tạo thành hình vòng cung băng tuyệt đẹp giữa không trung. Không ít người xem xong những đoạn video này đã đặt câu hỏi: Vì sao nhiệt độ nước sôi nóng tới gần 100 độ lại ngay lập tức bị đóng băng khi rơi xuống đất?

Theo các nhà khoa học, hiện tượng nước sôi bị đóng băng trước khi rơi xuống đất trong điều kiện nhiệt độ thấp được gọi là hiệu ứng Mpemba.

Mpemba là một hiện tượng kỳ lạ mà trong một điều kiện nhất định nào đó (đôi lúc xảy ra) - khi cùng làm lạnh, nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Khá thú vị, bản thân tên của hiệu ứng này được đặt theo tên học sinh trung học 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 ở thành phố Dar Es Salaam đến giảng bài về vật lý học.

Kết thúc bài giảng, Erasto Mpemba đã hỏi vị Tiến sĩ một câu hỏi: "Nếu ta có 2 cốc nước bằng nhau, một cốc nước nguội 35°C và một cốc nước nóng 100°C, cùng cho cả hai cốc vào trong tủ đá thì cốc nước nóng lại đóng băng trước – Vậy giải thích tại sao?".

Vào thời điểm đó, câu hỏi đầy thú vị này của Mpemba và chỉ nhận được sự chế nhạo của các bạn cùng lớp, và cả của thầy giáo. Tuy nhiên, Tiến sĩ Denis G. Osborne sau đó đã tiến hành thí nghiệm lại phát kiến đó tại nơi làm việc của mình, và đã xác nhận phát hiện của Mpemba. Cả 2 thầy trò đã cùng công bố kết quả vào năm 1969.

Đáng nói, hiện tượng kỳ lạ này đã làm đau đầu giới khoa học trong nhiều năm, khi nhiều nhà nghiên cứu đã đưa ra các giả thuyết khác nhau để giải thích hiệu ứng Mpemba.

Vì sao nước sôi nóng tới gần 100 độ lại ngay lập tức bị đóng băng khi rơi xuống đất?

Vào 2017, một nghiên cứu được công bố bởi các nhà nghiên cứu thuộc đại học Southern Methodist (Mỹ) và Đại học Nam Kinh (Trung Quốc) đã đưa ra một lời giải thích nhằm làm sáng tỏ hơn hiện tượng này.

Về cơ bản, nước được tạo thành từ hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Liên kết hydro, được hình thành giữa các nguyên tử hydro và nguyên tử oxy của các phân tử nước lân cận, là chìa khóa của hiệu ứng Mpemba.

Trong nước lạnh, cả liên kết Hydro mạnh và yếu đều được tìm thấy. Trong khi đó, nước nóng chủ yếu chỉ chứa các liên kết Hydro mạnh, do các liên kết Hydro yếu đã bị phá vỡ trong quá trình nước bị đun nóng. Theo các nhà nghiên cứu thuộc đại học Southern Methodist) và Đại học Nam Kinh, các phân tử bị vỡ có thể hình thành "Mạng tinh thể lục giác của băng đá" và đây là điểm mấu chốt của hiệu ứng Mpemba.

Với riêng nước lạnh, các liên kết Hydro vẫn cần bị phá vỡ để quá trình đóng băng bắt đầu. Nhưng do các liên kết đã bị phá vỡ sẵn trong nước nóng, đá có thể hình thành nhanh hơn vì đã tồn tại các cấu trúc cần thiết cho nó.

Trước đó, vào năm 2013, một nhóm các nhà vật lý ở trường Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore cũng đã công bố nghiên cứu mà họ tin là có thể làm rõ hơn được hiệu ứng Mpemba.

Theo các nhà khoa học thuộc Đại học Nanyang, điểm mấu chốt nằm ở sự tương tác bất thường giữa các phân tử hydro (nước). Các phân tử này liên kết với nhau bằng liên kết điện tích cao, gọi là "liên kết hydro", vốn tạo ra độ căng trên bề mặt nước và khiến nó đạt tới điểm sôi nhanh hơn so với các chất lỏng khác. 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. Điều này giúp lý giải rõ hơn về "Hiệu ứng Mpemba".

Vào năm 2010, nhà khoa học James Bulangliqi thuộc Đại học State, New York, Mỹ lại đưa ra một cách giải thích khác. Theo James Bulangliqi, các tạp chất có trong nước mới là yếu tố then chốt khiến nước nóng đóng băng nhanh hơn.

Cụ thể, hiệu ứng Mpemba xuất phát từ hiện tượng supercool (làm quá lạnh) bất ổn định. Về cơ bản, nước chưa đóng băng khi nhiệt độ chạm ngưỡng 0 độ C. Thông thường, nước bắt đầu đóng băng ở nhiệt độ thấp hơn, tức là hiện tượng supercool. Việc điểm đông quyết định ở tạp chất hình thành nên mối quan hệ giữa nước và băng đá.

Trong trường hợp bình thường, nước có thể có một số loại tạp chất, trong đó bao gồm bụi, muối hòa tan và vi khuẩn. Mỗi một tạp chất đều có thể tác động đến cơ chế đóng băng dưới nhiệt độ đặc biệt. Cũng theo James Bulangliqi, nếu như điểm đông của nước nóng cao tối thiểu 5 độ C, tốc độ đóng băng của nó sẽ nhanh hơn nhiều so với nước lạnh.

James Bulangliqi cũng cho hay, nếu như điểm đông của nước nóng cao tối thiểu 5 độ C, thì tốc độ đóng băng của nó sẽ nhanh hơn nhiều so với nước lạnh.

Tổng hợp