Nước nóng hoặc lạnh đó sẽ đóng băng nhanh hơn. Hiệu ứng Mpemba hoặc lý do tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh

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! Tính chất tuyệt vời này của nước, mà các nhà khoa học không thể tìm ra lời giải thích chính xác, đã được biết đến từ thời cổ đại. Ví dụ, ngay cả ở Aristotle cũng có mô tả về câu cá mùa đông: ngư dân cắm cần câu vào các lỗ trên băng, và để chúng bị đóng băng, họ đổ nước ấm lên băng. Tên của hiện tượng này được đặt theo tên của Erasto Mpemba vào những năm 60 của thế kỷ XX. Mnemba nhận thấy một hiệu ứng kỳ lạ khi anh ấy đang chuẩn bị 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 với nước có 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 các thí nghiệm của riêng họ và mỗi lần đều có kết quả tương tự.

Giải thích hiện tượng vật lý

Không có lời giải thích chung nào được chấp nhận về lý do tại sao điều này lại xảy ra. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng đó là hiện tượng hạ nhiệt 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, ví dụ, -2 ° C và đồng thời vẫn ở trạng thái lỏng mà không biến thành đá. Khi chúng ta cố gắng làm đông nước lạnh, có khả năng nó sẽ bị siêu lạnh và cứng lại chỉ sau một thời gian. Các quá trình khác diễn 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 dưới ấm của chất lỏng dâng lên, và các lớp trên, nguội đi xuống.

Một trong những môn học yêu thích của tôi ở trường là hóa học. Có lần một giáo viên dạy hóa giao cho chúng tôi một nhiệm vụ rất kỳ lạ và khó khăn. Anh ấy đưa cho chúng tôi một danh sách các câu hỏi mà chúng tôi phải trả lời về mặt hóa học. Chúng tôi được giao vài ngày cho nhiệm vụ này và được phép sử dụng thư viện và các nguồn thông tin sẵn có khác. Một trong những câu hỏi này là về điểm đóng băng của nước. Tôi không nhớ chính xác câu hỏi nghe như thế nào, nhưng nó nói về thực tế là nếu bạn lấy hai cái xô bằng gỗ có cùng kích thước, một cái đựng nước nóng, cái kia đựng nước lạnh (với nhiệt độ chính xác) và đặt chúng. trong môi trường có nhiệt độ nhất định, chất nào sẽ làm chúng đông cứng nhanh hơn? Tất nhiên, câu trả lời ngay lập tức tự gợi ý - một xô nước lạnh, nhưng đối với chúng tôi dường như nó quá đơn giản. Nhưng điều này không đủ để đưa ra câu trả lời hoàn chỉnh, chúng tôi cần chứng minh điều đó từ quan điểm hóa học. Bất chấp mọi suy nghĩ và nghiên cứu của mình, tôi đã không thể đưa ra một kết luận hợp lý. Vào ngày này, tôi thậm chí đã quyết định bỏ qua hướng dẫn này, vì vậy tôi chưa bao giờ tìm ra lời giải cho câu đố này.

Nhiều năm trôi qua, và tôi đã học được rất nhiều huyền thoại hàng ngày về điểm sôi và điểm đóng băng của nước, và một huyền thoại nói rằng: "nước nóng đóng băng nhanh hơn." Tôi đã xem nhiều trang web, nhưng thông tin quá mâu thuẫn. Và đây chỉ là những ý kiến, không có cơ sở từ quan điểm của khoa học. Và tôi quyết định tiến hành trải nghiệm của riêng mình. Vì không tìm thấy xô gỗ nên tôi đã sử dụng tủ đông, bếp nấu, một ít nước và một nhiệt kế kỹ thuật số. Tôi sẽ nói về kết quả của kinh nghiệm của tôi sau một chút. Đầu tiên, tôi sẽ chia sẻ với bạn một số lý lẽ thú vị về nước:

Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Hầu hết các chuyên gia đều khẳng định rằng nước lạnh sẽ đóng băng nhanh hơn nước nóng. Nhưng một hiện tượng buồn cười (cái gọi là hiệu ứng Membe), không rõ lý do, lại chứng minh điều ngược lại: Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Một trong những cách giải thích là quá trình bay hơi: nếu đặt nước rất nóng vào một môi trường lạnh, nước sẽ bắt đầu bay hơi (lượng nước còn lại sẽ đóng băng nhanh hơn). Và theo quy luật hóa học, đây hoàn toàn không phải là chuyện hoang đường, và rất có thể đây là điều mà giáo viên muốn nghe chúng tôi.

Nước đun sôi đóng băng nhanh hơn nước máy. Bất chấp lời giải thích trước đó, một số chuyên gia cho rằng nước đun sôi để nguội đến nhiệt độ phòng nên đóng băng nhanh hơn vì đun sôi làm giảm lượng oxy.

Nước lạnh sôi nhanh hơn nước nóng. Nếu nước nóng đóng băng nhanh hơn, thì nước lạnh có thể sôi nhanh hơn! Điều này trái với lẽ thường và các nhà khoa học cho rằng điều này đơn giản là không thể. Nước máy nóng thực sự sẽ sôi nhanh hơn nước lạnh. Nhưng bằng cách sử dụng nước nóng để đun sôi, bạn không tiết kiệm năng lượng. Bạn có thể sử dụng ít gas hoặc ánh sáng hơn, nhưng máy nước nóng sẽ sử dụng cùng một lượng năng lượng cần thiết để làm nóng nước lạnh. (Điều này hơi khác với năng lượng mặt trời.) Do quá trình đun nước của máy nước nóng, cặn có thể xuất hiện, do đó nước sẽ lâu nóng hơn.

Nếu bạn thêm muối vào nước, nó sẽ nhanh sôi hơn. Muối làm tăng điểm sôi (và do đó, làm giảm điểm đóng băng - đó là lý do tại sao một số bà nội trợ thêm một ít muối mỏ vào kem). Nhưng trong trường hợp này, chúng tôi quan tâm đến một câu hỏi khác: nước sẽ sôi trong bao lâu và liệu điểm sôi trong trường hợp này có thể tăng trên 100 ° C). Bất chấp những gì họ viết trong sách dạy nấu ăn, các nhà khoa học cho rằng lượng muối chúng ta thêm vào nước sôi không đủ để ảnh hưởng đến thời gian hoặc nhiệt độ sôi.

Nhưng đây là những gì tôi nhận được:

Nước lạnh: Tôi đã sử dụng ba cốc thủy tinh 100 ml chứa nước tinh khiết: một cốc ở nhiệt độ phòng (72 ° F / 22 ° C), một cốc chứa nước nóng (115 ° F / 46 ° C) và một cốc đựng nước đun sôi (212 ° F / 100 ° C). Tôi đặt cả ba ly vào tủ đông ở –18 ° C. Và vì tôi biết rằng nước sẽ không ngay lập tức biến thành băng, tôi đã xác định mức độ đóng băng bằng "phao gỗ". Khi chiếc que được đặt ở giữa ly, không còn chạm vào đế, tôi cho rằng nước đã đóng băng. Tôi kiểm tra kính năm phút một lần. Và kết quả của tôi là gì? Nước trong ly thứ nhất đông cứng sau 50 phút. Nước nóng đóng băng sau 80 phút. Đun sôi - sau 95 phút. Phát hiện của tôi: Với các điều kiện trong tủ đông và nước tôi đã sử dụng, tôi không thể tạo lại hiệu ứng Memb.

Tôi cũng đã thử thí nghiệm này với nước đun sôi để nguội trước đó đến nhiệt độ phòng. Cô ấy bị đóng băng sau 60 phút - nó vẫn mất nhiều thời gian hơn nước lạnh đóng băng.

Nước sôi: Tôi lấy một lít nước ở nhiệt độ phòng và đặt nó trên lửa. Nó sôi trong 6 phút. Sau đó, tôi làm lạnh nó xuống nhiệt độ phòng một lần nữa và thêm nó vào một cái nóng. Với cùng một mức nhiệt, nước nóng đun sôi trong 4 giờ 30 phút. Kết luận: như mong đợi, nước nóng sôi nhanh hơn nhiều.

Nước sôi (có muối): Tôi cho 2 thìa lớn muối ăn vào 1 lít nước. Nó sôi sau 6 phút 33 giây, và nhiệt kế cho thấy nó đạt đến nhiệt độ 102 ° C. Không nghi ngờ gì nữa, muối có ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi, nhưng không nhiều. Kết luận: muối trong nước không ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ và thời gian sôi. Tôi thành thật thừa nhận rằng nhà bếp của tôi khó có thể được gọi là phòng thí nghiệm, và có lẽ kết luận của tôi trái với thực tế. Ngăn đá của tôi có thể làm đông thực phẩm không đều. Kính của tôi có thể không đều, v.v. Nhưng bất cứ điều gì xảy ra trong phòng thí nghiệm, khi nói đến nước đóng băng hoặc nước sôi trong nhà bếp, điều quan trọng nhất là lẽ thường.

liên kết với những sự thật thú vị về bí mật về nước
như đã đề xuất trên diễn đàn forum.ixbt.com hiệu ứng này (hiệu ứng làm nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh) được gọi là "hiệu ứng Aristotle-Mpemba"

Những thứ kia. nước đun sôi (ướp lạnh) đóng băng nhanh hơn nước "thô"

Năm 1963, một học sinh đến từ Tanzania tên là Erasto Mpemba đã hỏi giáo viên của mình một câu hỏi ngu ngốc - tại sao kem ấm trong tủ đông của anh ấy lại đông nhanh hơn kem lạnh?

Khi còn là học sinh tại trường trung học Magamba ở Tanzania, Erasto Mpemba đã làm công việc nấu ăn thực tế. Anh ấy cần làm kem tự làm - đun sôi sữa, hòa tan đường vào 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 anh ấy đã trì hoãn việc hoàn thành phần đầu tiên của bài tập. Lo sợ không kịp giờ học, anh đã cất sữa còn nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó còn đông cứng sớm hơn cả sữa của đồng đội, được pha chế theo một công nghệ nhất định.

Ông quay sang giáo viên vật lý để làm rõ, nhưng ông chỉ cười nhạo học sinh, nói như sau: "Đây không phải là vật lý thế giới, mà là vật lý của Mpemba." Sau đó, Mpemba đã thử nghiệm không chỉ với sữa, mà còn với nước thông thường.

Trong mọi trường hợp, đã là học sinh của trường trung học Mkvava, anh đã hỏi Giáo sư Dennis Osborne từ Đại học University College ở Dar es Salaam (được hiệu trưởng mời đến giảng cho học sinh về vật lý) về nước: “Nếu chúng ta lấy hai các thùng chứa có thể tích nước bằng nhau sao cho một trong hai nước có nhiệt độ 35 ° C và một thùng kia - 100 ° C, đặt chúng vào ngăn đá thì trong giây phút nước sẽ đông 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 mà họ phát hiện ra được gọi là hiệu ứng Mpemba.

Bạn có tò mò muốn biết tại sao điều này lại xảy ra không? Chỉ vài năm trước, các nhà khoa học đã giải thích được hiện tượng này ...

Hiệu ứng Mpemba (nghịch lý Mpemba) là một nghịch lý phát biểu rằng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong một số điều kiện nhất định, 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 các khái niệm thông thường, theo đó, trong cùng một điều kiện, vật nóng hơn để làm mát đến một nhiệt độ nhất định sẽ mất nhiều thời gian hơn vật thể ít nóng hơn để nguội đến cùng một nhiệt độ.

Hiện tượng này đã được chú ý vào thời của họ bởi Aristotle, Francis Bacon và Rene Descartes. Cho đến nay, không ai biết chính xác làm thế nào để giải thích hiệu ứng kỳ lạ này. Các nhà khoa học không có một phiên bản duy nhất, mặc dù có rất nhiều. Đó là sự khác biệt về các đặc tính của nước nóng và lạnh, nhưng vẫn chưa rõ tính chất nào đóng vai trò trong trường hợp này: sự khác biệt trong quá trình siêu lạnh, bay hơi, hình thành băng, đối lưu hoặc tác dụng của khí hóa lỏng với nước tại nhiệt độ khác nhau. Nghịch lý của hiệu ứng Mpemba là thời gian cơ thể hạ nhiệt xuống nhiệt độ môi trường sẽ tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể này và môi trường. Định luật này do Newton thiết lập và từ đó đến nay đã được khẳng định nhiều lần trong thực tế. Trong hiệu ứng này, nước có nhiệt độ 100 ° C nguội xuống nhiệt độ 0 ° C nhanh hơn so với cùng một lượng nước có nhiệt độ 35 ° C.

Kể từ đó, nhiều phiên bản khác nhau đã được thể hiện, một trong số đó có vẻ như sau: một phần của nước nóng lúc đầu chỉ đơn giản là bốc hơi, sau đó, khi có ít hơn, nước đóng băng nhanh hơn. Phiên bản này, do tính đơn giản của nó, đã trở thành phổ biến nhất, nhưng các nhà khoa học đã không hoàn toàn đáp ứng.

Hiện một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore, do nhà hóa học Xi Zhang đứng đầu, cho biết họ đã giải đáp được bí ẩn lâu đời về lý do tại sao nước ấm lại đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Như các chuyên gia Trung Quốc đã tìm ra, bí mật nằm ở lượng năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hydro giữa các phân tử nước.

Như bạn đã biết, phân tử nước bao gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, ở cấp độ hạt giống như sự trao đổi electron. Một thực tế nổi tiếng khác là các nguyên tử hydro bị hút bởi các nguyên tử oxy từ các phân tử lân cận - các liên kết hydro được hình thành trong trường hợp này.

Đồng thời, các phân tử nước thường bị đẩy lùi khỏi nhau. Các nhà khoa học từ Singapore nhận thấy rằng nước càng ấm thì khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng càng lớn do lực đẩy tăng lên. Kết quả là, các liên kết hydro bị kéo căng, và do đó tích trữ nhiều năng lượng hơn. Năng lượng này được giải phóng khi nước nguội đi - các phân tử di chuyển gần nhau hơn. Và việc giải phóng năng lượng, như bạn biết, có nghĩa là làm mát.

Dưới đây là các giả thiết được các nhà khoa học đưa ra:

Bay hơi

Nước nóng bốc hơi nhanh hơn từ bình chứa, do đó làm giảm thể tích của nó, và một lượng nước nhỏ hơn có cùng nhiệt độ sẽ đông nhanh hơn. Nước được làm nóng đến 100 ° C mất 16% khối lượng khi làm lạnh đến 0 ° C. Hiệu ứng bay hơi - hiệu ứng kép. Đầu tiên, lượng nước cần thiết để làm mát được giảm xuống. Và thứ hai, do bay hơi, nhiệt độ của nó giảm xuống.

Nhiệt độ khác nhau

Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và không khí lạnh lớn hơn - do đó, sự trao đổi nhiệt trong trường hợp này diễn ra gay gắt hơn và nước nóng nguội nhanh hơn.

Hạ thân nhiệt
Khi nước được làm lạnh dưới 0 ° C, nó không phải lúc nào cũng đóng băng. Trong một số điều kiện, nó có thể bị hạ thân nhiệt, tiếp tục ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng. Trong một số trường hợp, nước có thể vẫn ở dạng lỏng ngay cả ở nhiệt độ –20 ° C. Lý do cho hiệu ứng này là để các tinh thể băng đầu tiên bắt đầu hình thành, cần có các trung tâm hình thành tinh thể. Nếu chúng không có trong nước lỏng, thì quá trình hạ thân nhiệt sẽ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ giảm xuống đến mức các tinh thể bắt đầu hình thành một cách tự phát. Khi chúng bắt đầu hình thành trong một chất lỏng siêu lạnh, chúng sẽ bắt đầu phát triển nhanh hơn, tạo thành một tảng băng, đóng băng sẽ tạo thành băng. Nước nóng dễ bị hạ thân nhiệt nhất vì đun nóng nó 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 nước đá. Tại sao hạ thân nhiệt lại làm cho nước nóng đông nhanh hơn? Trong trường hợp nước lạnh không được làm lạnh siêu tốc, điều sau sẽ xảy ra: một lớp băng mỏng hình thành trên bề mặt của nó, đóng vai trò như một chất cách nhiệt giữa nước và không khí lạnh, do đó ngăn cản sự bay hơi thêm. Trong trường hợp này, tốc độ hình thành các tinh thể băng sẽ chậm hơn. Trong trường hợp nước nóng được làm lạnh, nước siêu lạnh không có lớp băng bề mặt bảo vệ. Do đó, nó mất nhiệt nhanh hơn nhiều qua mặt trên. Khi quá trình hạ thân nhiệt kết thúc và nước đóng băng, nhiệt lượng bị mất đi nhiều hơn và do đó sẽ hình thành nhiều đá hơn. Nhiều nhà nghiên cứu về hiệu ứng này coi hạ thân nhiệt là yếu tố chính trong trường hợp của hiệu ứng Mpemba.
Đối lưu

Nước lạnh bắt đầu đóng băng từ trên cao, do đó làm xấu đi quá trình bức xạ nhiệt và đối lưu, và do đó mất nhiệt, trong khi nước nóng bắt đầu đóng băng từ bên dưới. Hiệu ứng này được giải thích là do mật độ nước bất thường. Nước có tỷ trọng cực đại ở 4 ° C. Nếu bạn làm lạnh nước đến 4 ° C và đặt nó trong môi trường nhiệt độ thấp hơn, lớp nước trên bề mặt sẽ đóng băng nhanh hơn. Vì nước này ít đặc hơn nước ở 4 ° C nên nó sẽ đọng lại trên bề mặt, tạo thành một lớp lạnh mỏng. Trong điều kiện này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt nước trong một thời gian ngắn, nhưng lớp băng này sẽ đóng vai trò như một chất cách nhiệt bảo vệ các lớp nước bên dưới, lớp nước này sẽ duy trì ở nhiệt độ 4 ° C. Do đó, quá trình làm mát hơn nữa sẽ chậm hơn. Trong trường hợp của máy nước nóng, tình hình hoàn toàn khác. Lớp nước trên bề mặt sẽ nguội nhanh hơn do bay hơi và chênh lệch nhiệt độ lớn hơn. Ngoài ra, các lớp nước lạnh dày đặc hơn các lớp nước nóng nên lớp nước lạnh sẽ chìm xuống dưới, nâng lớp nước ấm lên trên bề mặt. Sự tuần hoàn của nước đảm bảo nhiệt độ giảm nhanh chóng. Nhưng tại sao quá trình này không đạt được điểm cân bằng? Để giải thích hiệu ứng Mpemba theo quan điểm đối lưu, cần giả thiết rằng các lớp nước nóng và lạnh được tách ra và quá trình đối lưu tự nó tiếp tục sau khi nhiệt độ trung bình của nước giảm xuống dưới 4 ° C. Tuy nhiên, không có dữ liệu thực nghiệm nào ủng hộ giả thuyết này rằng các lớp nước nóng và lạnh được ngăn cách bởi sự đối lưu.

Khí hòa tan trong nước

Nước luôn chứa các khí hòa tan trong đó - oxy và carbon dioxide. Các khí này có khả năng làm giảm điểm đóng băng của nước. Khi đun nóng nước, các khí này thoát ra khỏi nước vì khả năng hòa tan trong nước ở nhiệt độ cao thấp hơn. Do đó, khi nước nóng được làm lạnh, luôn có ít khí hòa tan hơn trong nước lạnh không được làm nóng. Do đó, điểm đóng băng của nước nóng cao hơn và nó đóng băng nhanh hơn. Yếu tố này đôi khi được coi là yếu tố chính trong việc giải thích hiệu ứng Mpemba, mặc dù không có dữ liệu thực nghiệm xác nhận thực tế này.

Dẫn nhiệt

Cơ chế này có thể đóng một vai trò quan trọng khi nước được đặt trong ngăn mát tủ lạnh trong các thùng chứa nhỏ. Trong những điều kiện này, người ta nhận thấy rằng thùng chứa có nước nóng làm tan băng của ngăn đá bên dưới nó, do đó cải thiện sự tiếp xúc nhiệt với thành ngăn đá và khả năng dẫn nhiệt. Do đó, nhiệt thoát ra khỏi bình chứa bằng nước nóng nhanh hơn so với nước lạnh. Đổi lại, một thùng chứa có nước lạnh không làm tan tuyết dưới nó. Tất cả những điều kiện này (cũng như các điều kiện khác) đã được nghiên cứu trong nhiều thí nghiệm, nhưng câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi - điều kiện nào trong số chúng cung cấp một trăm phần trăm tái tạo hiệu ứng Mpemba - vẫn chưa thu được. Ví dụ, vào năm 1995, nhà vật lý người Đức David Auerbach đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình siêu lạnh của nước đến 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, có nghĩa là nhanh hơn nhiệt độ sau. Nhưng nước lạnh đạt trạng thái siêu lạnh nhanh hơn nước nóng, do đó bù đắp cho độ trễ trước đó. Ngoài ra, kết quả của Auerbach mâu thuẫn với dữ liệu thu được trước đó rằng nước nóng có thể đạt được độ siêu lạnh cao hơn do có ít trung tâm kết tinh hơn. Khi đun nóng nước, các chất khí hòa tan trong nước được loại bỏ, và khi đun sôi nước, một số muối hòa tan trong nó kết tủa. Cho đến nay, chỉ có thể khẳng định một điều - sự tái tạo của hiệu ứng này về cơ bản phụ thuộc vào các điều kiện mà thí nghiệm được thực hiện. Chính vì nó không phải lúc nào cũng được tái tạo.

Nhưng như họ nói, lý do rất có thể.

Như các nhà hóa học viết trong bài báo của họ, có thể được tìm thấy trên trang web arXiv.org preprint, các liên kết hydro bị căng trong nước nóng nhiều hơn trong nước lạnh. Do đó, nó chỉ ra rằng nhiều năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hydro của nước nóng, có nghĩa là nhiều năng lượng hơn được giải phóng khi làm lạnh đến nhiệt độ dưới 0. Vì lý do này, quá trình đông đặc nhanh hơn.

Đến nay, các nhà khoa học mới chỉ giải được câu đố này về mặt lý thuyết. Khi họ đưa ra bằng chứng thuyết phục về phiên bản của mình, thì câu hỏi tại sao nước nóng lại đóng băng nhanh hơn nước lạnh có thể được coi là khép lại.

Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh đang trao giải thưởng 1.000 bảng Anh cho bất kỳ ai có thể giải thích một cách khoa học lý do tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong một số trường hợp.

“Khoa học hiện đại vẫn chưa thể trả lời câu hỏi tưởng chừng như đơn giản này. Các nhà sản xuất 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 hoạt động. Vấn đề này đã được biết đến trong nhiều thiên niên kỷ, các triết gia như Aristotle và Descartes đã suy nghĩ về nó ”, Chủ tịch Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh, Giáo sư David Philips, trích dẫn trong một thông cáo báo chí từ Hiệp hội.

Làm thế nào một đầu bếp từ châu Phi đánh bại một giáo sư vật lý người Anh

Đây không phải là một trò đùa ngày Cá tháng Tư, mà là một thực tế vật lý khắc nghiệt. Khoa học hiện tại, vốn dễ dàng vận hành với các thiên hà và lỗ đen, xây dựng các máy gia tốc khổng lồ để tìm kiếm các hạt quark và boson, không thể giải thích cách thức hoạt động của nước cơ bản. Một sách giáo khoa của trường nói rõ ràng rằng cơ thể ấm hơn mất nhiều thời gian để làm mát hơn cơ thể lạnh hơn. 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. NS. Đây là những gì người Hy Lạp cổ đại đã viết trong cuốn sách Met Khí tượng I: “Thực tế là nước được làm nóng trước làm cho nó đóng băng. Vì vậy, nhiều người khi muốn làm nguội nhanh nước nóng, trước hết phải đem ra phơi nắng… ”Vào thời Trung cổ, Francis Bacon và René Descartes đã cố gắng giải thích hiện tượng này. Than ôi, cả các triết gia vĩ đại và nhiều nhà khoa học phát triển vật lý nhiệt cổ điển đều không thành công trong việc này, và do đó thực tế bất tiện này đã bị "lãng quên" trong một thời gian dài.

Và chỉ đến năm 1968, họ mới “nhớ mặt” nhờ cậu học sinh Erasto Mpemba đến từ Tanzania, khác xa với bất kỳ ngành khoa học nào. Khi đang theo học tại trường nấu ăn, vào năm 1963, Mpembe, 13 tuổi, được giao nhiệm vụ làm kem. Theo công nghệ, cần đun sôi sữa, hòa tan đường, để nguội đến nhiệt độ phòng rồi cho vào tủ lạnh để đông. Rõ ràng, Mpemba không phải là một học sinh siêng năng và hay do dự. Vì sợ hết giờ làm bài, anh cất hộp sữa nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó đông cứng còn sớm hơn cả sữa của đồng đội, được chuẩn bị theo tất cả các quy tắc.

Khi Mpemba chia sẻ khám phá của mình với một giáo viên vật lý, ông ấy đã chế giễu anh ta trước mặt cả lớp. Mpemba nhớ lại sự tổn thương. Năm năm sau, khi đang là sinh viên của trường đại học ở Dar es Salaam, anh ấy đã có mặt tại một 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 nhau với lượng nước bằng nhau, một ở 35 ° C (95 ° F) và cái kia ở 100 ° C (212 ° F), và đặt chúng trong ngăn đá, khi đó nước trong thùng chứa nóng sẽ đông nhanh hơn. Tại sao?" Bạn có thể tưởng tượng phản ứng của một giáo sư người Anh trước câu hỏi của một thanh niên đến từ Tanzania bị Chúa bỏ rơi. Anh ấy đã làm trò cười cho học sinh. Tuy nhiên, Mpemba đã sẵn sàng cho một 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 thực nghiệm xác nhận tính đúng đắn của Mpemba và việc đánh bại Osborne. Vì vậy, người học trò đã ghi tên mình vào lịch sử khoa học, và từ đó hiện tượng này được gọi là "hiệu ứng Mpemba". Để loại bỏ nó, để tuyên bố nó như thể "không tồn tại" không hoạt động. Hiện tượng này tồn tại, và như nhà thơ đã viết, "không đến tận răng."

Bụi và chất tan có đáng trách không?

Trong những năm qua, nhiều người đã cố gắng làm sáng tỏ bí ẩn của nước đóng băng. Một loạt các giải thích cho hiện tượng này đã được đưa ra: bay hơi, đối lưu, ảnh hưởng của các chất tan - nhưng không có yếu tố nào trong số này có thể được coi là cuối cùng. Một số nhà khoa học đã cống hiến cả cuộc đời của họ cho hiệu ứng Mpemba. James Brownridge, một nhân viên của Khoa An toàn Bức xạ tại Đại học Bang New York, đã nghiên cứu nghịch lý trong thời gian rảnh rỗi của mình trong hơn một thập kỷ. Sau khi tiến hành hàng trăm thí nghiệm, nhà khoa học tuyên bố có bằng chứng về "tội lỗi" của chứng hạ thân nhiệt. Brownridge giải thích rằng ở 0 ° C, nước chỉ được làm lạnh siêu tốc và bắt đầu đóng băng khi nhiệt độ xuống thấp hơn. Điểm đóng băng được kiểm soát bởi các tạp chất trong nước - chúng thay đổi tốc độ hình thành các tinh thể băng. Các tạp chất, và đây là các hạt bụi, vi khuẩn và muối hòa tan, có nhiệt độ tạo mầm đặc trưng cho chúng, khi các tinh thể băng được hình thành xung quanh các tâm kết tinh. Khi có một số nguyên tố trong nước cùng một lúc, điểm đóng băng được xác định bởi nguyên tố có nhiệt độ tạo mầm cao nhất.

Để thực hiện thí nghiệm, Brownridge đã lấy hai mẫu nước có cùng nhiệt độ và đặt chúng trong tủ đông. Ông phát hiện ra rằng một trong các mẫu luôn đóng băng trước mẫu kia - có lẽ là do sự kết hợp khác nhau của các tạp chất.

Brownridge tuyên bố rằng nước nóng lạnh nhanh hơn do chênh lệch nhiệt độ giữa nước và ngăn đá lớn hơn - điều này giúp nước đạt đến điểm đóng băng trước khi nước lạnh đạt đến điểm đóng băng tự nhiên, thấp hơn ít nhất 5 ° C.

Tuy nhiên, lập luận của Brownridge đặt ra nhiều câu hỏi. Do đó, những ai có thể giải thích hiệu ứng Mpemba theo cách của mình sẽ có cơ hội tranh giải thưởng nghìn cân từ Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh.

Rõ ràng là nước lạnh đóng băng nhanh hơn nước nóng, vì trong các điều kiện ngang nhau, nước nóng mất nhiều thời gian hơn để nguội đi và sau đó đóng băng. Tuy nhiên, hàng nghìn năm quan sát, cũng như các thí nghiệm hiện đại đã chỉ ra rằng điều ngược lại cũng đúng: trong những điều kiện nhất định, nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Kênh khoa học Sciencium giải thích hiện tượng này:

Như đã giải thích trong video trên, hiện tượng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh được gọi là hiệu ứng Mpemba, được đặt theo tên của Erasto Mpemba, một sinh viên người Tanzania làm kem vào năm 1963 trong một dự án của trường học. Sinh viên phải đun sôi hỗn hợp kem và đường, để nguội rồi cho vào ngăn đá tủ lạnh.

Thay vào đó, Erasto đắp hỗn hợp của mình ngay lập tức, nóng mà không cần đợi nguội. Kết quả là sau 1,5 giờ, hỗn hợp của anh ta đã đông cứng, nhưng hỗn hợp của các sinh viên khác thì không. Bị hấp dẫn bởi hiện tượng này, Mpemba bắt đầu nghiên cứu vấn đề này với giáo sư vật lý Denis Osborne, và vào năm 1969, họ đã xuất bản một bài báo nói rằng nước ấm đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Đây là nghiên cứu đầu tiên được bình duyệt như vậy, nhưng bản thân hiện tượng này đã được đề cập trong các bài báo của Aristotle, có niên đại từ thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên. NS. Francis Bacon và Descartes cũng ghi nhận hiện tượng này trong các nghiên cứu của họ.

Video liệt kê một số tùy chọn để giải thích những gì đang xảy ra:

1. Sương giá là một chất điện môi, và do đó nước lạnh có sương giữ nhiệt tốt hơn một ly ấm, làm tan chảy nước đá khi tiếp xúc với nó
2. Có nhiều khí hòa tan trong nước lạnh hơn trong nước ấm và các nhà nghiên cứu suy đoán rằng điều này có thể đóng một vai trò trong tốc độ làm lạnh, mặc dù vẫn chưa rõ bằng cách nào.
3. Nước nóng làm mất nhiều phân tử nước hơn do bay hơi, do đó sẽ ít hơn để đóng băng
4. Nước ấm có thể được làm mát nhanh hơn bằng cách tăng dòng đối lưu. Các dòng điện này sinh ra trước hết là do nước trong ly nguội trên bề mặt và ở các thành bên, buộc nước lạnh chìm xuống và nước nóng dâng lên. Trong ly ấm, các dòng đối lưu hoạt động mạnh hơn, có thể ảnh hưởng đến tốc độ làm lạnh.

Tuy nhiên, một nghiên cứu được kiểm soát cẩn thận đã được thực hiện vào năm 2016 cho thấy điều ngược lại: nước nóng đóng băng chậm hơn nhiều so với nước lạnh. Đồng thời, các nhà khoa học nhận thấy rằng việc thay đổi vị trí của cặp nhiệt điện - một thiết bị xác định nhiệt độ giảm xuống - chỉ một cm cũng dẫn đến sự xuất hiện của hiệu ứng Mpemba. Nghiên cứu các công trình tương tự khác cho thấy rằng trong mọi trường hợp khi quan sát thấy hiệu ứng này, có sự dịch chuyển của cặp nhiệt điện trong vòng một cm.