Hiệu ứng Mpemba

Đồ thị tốc độ đông đá cho thấy nước nóng hơn (màu đỏ) đông đá nhanh hơn nước (màu xanh)

Hiệu ứng Mpemba là một hiện tượng 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. Hiện tượng này phụ thuộc vào nhiệt độ và đang có tranh cãi về các điều kiện để có thể quan sát hiện tượng xảy ra cũng như bản chất của nó.^[1][2]

Tạp chí New Scientist khuyến nghị nên thí nghiệm với các mẫu nước ở 35 °C (95 °F) và 5 °C (41 °F) để tối đa hóa hiệu ứng.^[3] (thực tế không phải không đạt được như vậy - trong các thí nghiệm hiệu ứng chỉ thể hiện trên một số mẫu thử - tùy thuộc vào những điều kiện nhất định mà đến nay chưa kiểm soát được)

Nguồn gốc

Hiện tượng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh được gọi là "hiệu ứng Mpemba" - được đặt theo tên học sinh trung học Erasto B.Mpemba người Tanzania^[4]. 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 lạnh – 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 (from the University College in Dar Es Salaam) đến giảng bài về vật lý học.

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 hai cốc vào trong tủ đá thì cốc nước nóng lại đóng băng trước – Vậy giải thích tại sao?" – và chỉ nhận được sự chế nhạo của các bạn cùng lớp, và cả của thầy giáo. 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.^[5][6] Từ năm 2002, Erasto Mpemba đã nghỉ hưu sau khi công tác tại Ủy ban Rừng và Động vật hoang dã châu Phi.

Giải thích

Hiện tượng kỳ lạ này đã làm đau đầu giới khoa học trong nhiều năm. Các nhà vật lý học từng đưa ra nhiều giả thiết về hiệu ứng Mpemba (liên quan đến sự bay hơi, sự đối lưu, quá trình đóng tuyết, sự làm chậm đông và các tạp chất hòa tan). Tuy nhiên các giải thích khác nhau đều không thuyết phục mọi người, bởi vì mặc dù các yếu tố trên đều có ảnh hưởng nhất định nhưng chưa đủ mạnh để gây nên hiệu ứng, cũng như chưa ai đưa ra được bằng chứng xác thực để chứng minh.

Ngày 29 tháng 3 năm 2010, trên tạp chí New Scientist đã đăng một bài của James Bulangliqi, được cho là đã làm sáng tỏ được nguyên nhân của hiệu ứng này.^[4]

Theo James Bulangliqi (Đại học State, New York, Mỹ), hiện tượng trên có mối quan hệ với một số tạp chất ở trong nước. James Bulangliqi cho rằng, chính các tạp chất có trong nước mới là nhân tố then chốt dẫn tới tốc độ đóng băng nhanh của nước nóng.

Trong thời gian 10 năm liền, James Bulangliqi đã tiến hành hàng trăm thí nghiệm có liên quan đến hiệu ứng Mpemba. Cuối cùng, ông đã phát hiện chứng cứ chứng minh hiệu ứng Mpemba xuất phát từ hiện tượng supercool (làm chậm đông) bất ổn định.

James Bulangliqi đã tiến hành thí nghiệm đối với hai mẫu nước máy ở cùng nhiệt độ 20 °C. Trước tiên ông bỏ mẫu nước vào trong ống nghiệm, sau đó đưa vào tủ lạnh để làm đông. Hỗn hợp ngẫu nhiên của tạp chất đã làm cho hai mẫu nước này có điểm đông khác nhau, trong đó có một mẫu có điểm đông cao hơn. Nếu như sự khác biệt này đủ lớn, thì hiệu ứng Mpemba sẽ xuất hiện.

James Bulangliqi lựa chọn mẫu nước có điểm đông tự nhiên cao hơn và tiến hành tăng nhiệt tới 80 °C, mẫu nước còn lại chỉ tăng nhiệt bằng nhiệt độ trong nhà, sau đó lại đưa hai ống nghiệm vào tủ lạnh. Ông James Bulangliqi cho biết, nếu như điểm đông của nước nóng cao tối thiểu 5 °C, thì tốc độ đóng băng của nó sẽ nhanh hơn nhiều so với nước lạnh.

Tham khảo

1. Burridge, Henry C.; Linden, Paul F. (2016). “Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold”. Scientific Reports. 6: 37665. Bibcode:2016NatSR...637665B. doi:10.1038/srep37665. PMC 5121640. PMID 27883034.
2. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2017). “Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water?”. Journal of Chemical Theory and Computation. 13: 55. doi:10.1021/acs.jctc.6b00735.
3. How to Fossilise Your Hamster: And Other Amazing Experiments For The Armchair Scientist, ISBN 1846680441
4. ^ Ngọc Thúy (ngày 30 tháng 3 năm 2010). “Vì sao nước nóng đông nhanh hơn nước lạnh?”. Vietnam+. Bản gốc lưu trữ ngày 4 tháng 4 năm 2010. Truy cập ngày 4 tháng 4 năm 2010.
5. Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1969). "Cool?". Physics Education (Institute of Physics) 4: 172–175. doi:10.1088/0031-9120/4/3/312.
6. Mpemba, E B; Osborne, D G (1979). "The Mpemba effect". Physics Education (Institute of Physics) 14: 410–412. doi:10.1088/0031-9120/14/7/312.