Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh, các nhà khoa học có thể đã tìm ra được nguyên nhân tại sao

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.