Giải mã bí ẩn về hiệu ứng Mpemba

Mặc dù điều này có vẻ phi logic nghiêm trọng trong vật lý, nhưng nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong một số điều kiện nhất định, theo hiệu ứng Mpemba.

• 9 Hiệu Ứng Tâm Lý Rất Hữu Dụng Cho Bạn Trong Cuộc Sống
• 7 Đại Hiệu Ứng Tâm Lý Kinh Điển Vô Cùng Hữu Ích Cho Mọi Người

Aristotle đã phát hiện ra hiện tượng kỳ lạ này, nhưng sau nhiều năm nỗ lực thực nghiệm để chứng minh nó, vẫn chưa ai đưa ra lời giải thích thỏa đáng.

Hiện tại, các nhà vật lý tin rằng một số tính chất kỳ lạ của liên kết hydro là chìa khóa để mở ra một trong những bí mật lâu đời nhất của vật lý học. Tuy nhiên, một số nhà khoa học không đồng ý và tin rằng cái gọi là “hiệu ứng Mpemba’  không tồn tại.

Có rất nhiều bí ẩn xung quanh hiệu ứng Mpemba, khiến các nhà vật lý bối rối mặc dù thực tế là Aristotle đã phát hiện ra nó hơn 2.000 năm trước.

Khả năng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh cuối cùng đã được chấp nhận rộng rãi vào những năm 1960, nhờ một cậu học sinh người Tanzania đã nhận thấy hiệu ứng này khi làm kem.

Erasto Mpemba và các bạn cùng lớp thường làm kem từ sữa đun sôi trộn với đường và để đông lạnh trong tủ lạnh. Một ngày nọ, Mpemba sốt ruột và không muốn đợi hỗn hợp sữa nguội rồi mới cho vào tủ lạnh, vì vậy anh ấy đã cho sữa vẫn còn nóng vào tủ lạnh và hy vọng nó sẽ đông nhanh hơn.

Nhiều người tỏ ra bất ngờ khi kem của Mpemba đông cứng nhanh hơn các bạn cùng lớp. Mpemba hợp tác với một giáo sư vật lý vào năm 1969 để viết một bài báo mô tả hiện tượng rõ ràng này.

Nhưng có một vấn đề lớn với hiệu ứng Mpemba. Trong khi hiệu ứng Mpemba được chấp nhận rộng rãi trong thực tế, các nhà vật lý không đồng ý về cách thức hoạt động chính xác của nó. Nhiều người không coi đây là một sự thật hiển nhiên của vật lý học; tuy nhiên, nhiều nhà vật lý nhận ra sự tồn tại của hiện tượng này nhưng không thể tìm ra lời giải thích thỏa đáng và chính xác cho nó. Vì vậy, làm thế nào nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh, khi nước lạnh rõ ràng là gần điểm đóng băng hơn?

Có rất nhiều bí ẩn xung quanh hiệu ứng Mpemba. Vấn đề nằm ở chính các thí nghiệm, trong đó một số người có thể tạo ra hiệu ứng Mpemba trong khi những người khác thì không. Cả hai bằng chứng đều đến từ hai kết quả thí nghiệm không có lời giải thích hợp lý.

Hiệp hội Hóa học Hoàng gia đã tổ chức một cuộc thi lớn vào năm 2012 để yêu cầu các nhà khoa học giải thích hiện tượng vật lý này. Dù đã nhận được hơn 22.000 kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên khắp thế giới nhưng vẫn chưa tìm được lời giải thích thỏa đáng.

Signe Dean, một nhà báo khoa học của National Geographic Australia, viết:

“Giả thuyết được công bố và chấp nhận rộng rãi nhất là nước nóng bốc hơi nhanh hơn, giảm trọng lượng nhanh hơn và do đó cần ít nhiệt hơn để đóng băng. Các nhà khoa học đã có thể tái tạo hiệu ứng Mpemba trong một hộp kín, nơi không thể bay hơi.

Một giả thuyết khác cho rằng nước tạo ra một dòng đối lưu và một gradient nhiệt độ riêng khi 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 sự chênh lệch nhiệt độ hơn, vì thế nó sẽ có ít dòng đối lưu hơn để đẩy nhanh được tốc độ làm lạnh.

Tuy nhiên, ý kiến này cũng chưa được công nhận chính thức “.

TẶNG MÃ GIẢM GIÁ 40% TẤT CẢ CÁC KHÓA HỌC TRÊN UNICA NHẬN TẠI ĐÂY

Vì vậy, sau hàng thế kỷ tìm hiểu và nghiên cứu, chúng ta vẫn chưa có câu trả lời thỏa đáng. Nghiên cứu này, tuy nhiên, có thể thay đổi điều đó.

Các nhà khoa học từ Đại học Giám lý Phương Nam ở Dallas và Đại học Nam Kinh ở Trung Quốc tin rằng họ đã giải đáp được bí ẩn vật lý này bằng cách phát hiện ra những tính chất kỳ lạ. Trong liên kết của phân tử nước giữa nguyên tử hydro và khí oxy.

Độ bền của các liên kết hydro phụ thuộc vào vị trí của chúng so với các phân tử nước lân cận, theo mô phỏng máy tính của các phân tử nước.

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

” Đối với nước lạnh, để có thể đóng thành băng, những liên kết hydro yếu sẽ phải bị bẻ gãy trước “.

Nói cách khác, nước nóng có tỷ lệ liên kết hydro mạnh cao hơn nước lạnh vì các liên kết hydro yếu hơn bị phá vỡ khi nhiệt độ tăng. Sự sẵn có của nước nóng có thể giải thích tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn.

Các nhà nghiên cứu từ hai trường đại học đã đi đến kết luận sau:

” Phân tích…Đã dẫn chúng tôi tới khả năng tìm ra được lời giải thích cho hiệu ứng Mpemba. Trong nước ấm, những liên kết hydro (H-bonds) 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. Do đó, nước đóng băng nhanh hơn so với nước lạnh trong khi đó việc chuyển đổi từ liên kết nước ngẫu nhiên sẽ không tốn thời gian và năng lượng như nước lạnh “.

Tuy nhiên, với những lời giải thích trước khi nghiên cứu, sẽ cần có các thí nghiệm cụ thể hơn trước khi chúng tôi có thể chắc chắn điều này hoặc sự kết hợp của các yếu tố – phù hợp với bằng chứng mạnh mẽ về hiệu quả. Mpemba là một ứng dụng.

Mặc dù một số vấn đề này có thể là do một số yếu tố phối hợp với nhau để tạo ra hiện tượng này, chẳng hạn như đối lưu, bay hơi và siêu lạnh (nhiệt động lực học), và trong khi đóng băng là một quá trình chậm, không tức thời, nhiều người tin rằng hiệu ứng Mpemba chẳng là gì cả. Nhiều hơn một bí ẩn kéo dài.

Một báo cáo khoa học gần đây của Đại học Hoàng gia Luân Đôn kiểm tra thời gian cần thiết để nước nóng và lạnh đóng băng (0 độ C).

” Không có vấn đề gì với những thứ mà chúng ta đã làm, chúng ta không thể quan sát bất cứ điều gì tương tự giống hiệu ứng Mpemba “, một trong những nhà nghiên cứu, Henry Burridge, nói với Science News.

Vì vậy, chính xác những gì đang xảy ra ở đây? Có rất nhiều thử nghiệm qua lại khiến cả những người tò mò và các nhà khoa học khó giải thích. Hiện tượng vật lý kỳ lạ này vẫn chưa được giải quyết trong nhiều thế kỷ và có vẻ như ngay cả sau nhiều thế kỷ, chúng ta vẫn còn một chặng đường dài để khám phá ra nguyên nhân.

KNTT