Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã rất đau đầu về một quan sát trái ngược với suy nghĩ của chúng ta: nước nóng, vì lý do nào đó, hình như đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Hiện tượng này được đưa ra bởi cậu học sinh người Tanzanian, Mpemba, khi cậu quan sát thấy món kem trộn nóng của mình đông lại nhanh hơn là kem lạnh.
Sau này, một đội nghiên cứu dẫn đầu bởi Xi Zhang phát hiện ra nguyên nhân đằng sau hiện tượng này chính là các liên kết cộng hóa trị xuất hiện trong nước. Mỗi đơn phân nước được cấu tạo bởi 2 nguyên tử Hidro và 1 nguyên tử Oxy liên hết hóa trị với nhau. Các liên kết liên quan đến quá trình trao đổi electron này được xem xét rất kỹ càng. Hãy xem hình dưới đây:
(hình 1)
Nhưng các phân tử nước riêng biệt lại cũng liên kết với nhau bởi các lực yếu hơn tạo ra bởi các liên kết Hidro. Điều này xảy ra khi các nguyên tử Hidro của đơn phân này đứng gần nguyên tử Oxy của đơn phân kia- chúng làm phát sinh ra nhiều tính chất thú vị của nước, như điểm sôi cao lạ thường. Những liên kết này gây ra hiệu ứng Mpemba. Ý tưởng này khá đơn giản: cho các phân tử nước tiếp xúc với nhau và lực đẩy tự nhiên giữa các phân tử làm các liên kết giãn ra và tích năng lượng. Khi nước nóng lên, các liên kết Hidro căng ra do mật độ nước thấp hơn và các phân tử nước tách ra xa nhau hơn.
Các liên kết Hidro kéo dài ra cho phép các liên kết cộng hóa trị nghỉ ngơi và co lại một chút, giúp chúng có được năng lượng. Quá trình các liên kết công hóa trị thu nạp năng lượng cũng tương đương với quá trình làm lạnh, vậy nên, nước nóng sẽ đông lại nhanh hơn nước lạnh về mặt lý thuyết. Đây chính là hiệu ứng Mpemba.
(hình 2)
Nhưng hiệu ứng này không xảy ra trong một số trường hợp. Giả dụ bạn đem 2 bình chứa giống nhau về kích thước và lượng nước. Điểm khác biệt duy nhất là một bình ở nhiệt độ (đồng nhất) cao hơn bình còn lại. Bây giờ ta cùng làm lạnh cả 2 bình, quá trình giống hệt nhau. Do một số điều kiện, bình 1 sẽ đông nhanh hơn. Nếu xảy ra thì chúng ta vừa được nhìn thấy hiệu ứng Mpemba rồi đấy. Tất nhiên, bình 1 sẽ không đóng đá trước bình 2 do giả thiết ban đầu. Nếu bình 1 đang ở 99.9°C còn bình kia ở 0.01°C, thì rõ ràng là dưới điều kiện đó, bình 2 sẽ đông lại nhanh hơn rồi. Tuy nhiên, ở trong một số điều kiện khác thì bình 1 sẽ đông trước; nếu xảy ra thì đó là Mpemba. Nhưng bạn không quan sát được hiệu ứng này chỉ vì những điều kiện về nhiệt độ ban đầu, hình dạng bình chứa hoặc điều kiện làm lạnh.
Không thể, phải không? Nhiều độc giả khó tính có lẽ đã nghĩ đến bằng chứng phổ biến cho thấy Mpemba không thể xảy ra. Bằng chứng này thường được phát biểu như sau: Giả sử bình 2 đang ở 30°C và cần 10 phút để đông đá, trong khi bình 1 ở 70°C. Bây giờ, bình 1 cần thời gian để làm lạnh về nhiệt độ 30°C, sau đó lại thêm 10 phút để đông lại. Bởi bình 1 phải làm mọi thứ mà bình 2 làm, thêm chút xíu việc bên ngoài nữa, nó tất nhiên mất nhiều thời gian hơn một chút rồi nhỉ? Có gì sai đâu?
Lý luận này sai ở chỗ là nó ngầm khẳng định rằng các đặc tính của nước được thể hiện bởi những con số duy nhất, như nhiệt độ trung bình. Nhưng nếu các yếu tố khác bên cạnh nhiệt độ cũng quan trọng, thì khi bình 1 được làm lạnh tới nhiệt độ trung bình là 30°C, có lẽ sẽ rất khác so với bình 2 lúc ban đầu. Bởi sao? Lý do là nước có thể đã thay đổi khi nó bị hạ nhiệt từ 70°C xuống 30°C. Có thể khối lượng nó ít hơn, ít khí hòa tan hơn hoặc các dòng đối lưu tạo ra sự phân bố nhiệt không đồng đều. Thực tế, Mpemba được quan sát trong một số thí nghiệm đã bị kiểm soát. Mpemba phụ thuộc vào một số yếu tố sau:
- Sự bốc hơi nước –Vì bình 1 làm lạnh về nhiệt độ ban đầu giống với bình 2 nên có thể nó đã mất một lượng hơi nước nhất định do bay hơi. Khối lượng giảm cũng làm nó dễ lạnh và đóng băng hơn. Tiếp đó, bình 1 có thể đông trước bình 2 nhưng có ít đá hơn. Các tính toán lý thuyết đã cho thấy sự bay hơi có thể giải thích hiện tượng Mpemba nếu bạn cho rằng nước chỉ mất nhiệt qua bay hơi. Giải thích này khá vững chắc, trực quan, và sự bay hơi, không nghi ngờ gì nữa, quan trọng trong hầu hết các trường hợp. Tuy nhiên, nó không phải là cơ chế duy nhất. Sự bay hơi không thể giải thích các thí nghiệm được thực hiện trong bình chứa kín, do khối lượng không mất đi vì bay hơi. Nhiều nhà khoa học khẳng định chỉ bay hơi thôi là không đủ để giải thích kết quả họ nhận được.
- Khí hòa tan –Nước nóng có thể chứa ít khí hòa tan hơn nước lạnh, và lượng lớn khí này thoát ra trong lúc sôi. Do đó, bình 1 có lẽ có ít khí hòa tan hơn là bình 2. Người ta suy đoán rằng điều này làm thay đổi một số tính chất của nước, có lẽ là làm cho nó phát triển các dòng đối lưu dễ dàng hơn nên làm nó ngưng tụ dễ hơn; hoặc là giảm lượng nhiệt cần thiết để ngưng tụ một khối lượng nước nhất định; hoặc là thay đổi điểm sôi. Có một số thí nghiệm ủng hộ giải thích này nhưng không đúng về mặt tính toán thực tiễn.
- Đối lưu –Khi nước nguội đi, nó sẽ phát triển các dòng đối lưu và phân bố nhiệt không đồng đều. Tại hầu hết các nhiệt độ, mật độ giảm khi nhiệt độ tăng và do vậy bề mặt của nước sẽ ấm hơn bên dưới, lúc này sinh ra “đỉnh điểm nóng”. Bây giờ, nếu nước thoát nhiệt chủ yếu qua bề mặt thì nước có “đỉnh điểm nóng” ở nhiệt độ trung bình sẽ mất nhiệt nhanh hơn ta nghĩ. Khi bình 1 được làm lạnh đến nhiệt độ trung bình giống với bình 2, nó sẽ có “đỉnh nóng” và do đó, tốc độ ngưng tụ của bình nước sẽ nhanh hơn tốc độ của bình 2 tại cùng một nhiệt độ trung bình. Bạn hiểu tất cả chứ? Có lẽ bạn sẽ muốn đọc lại đoạn này, phân biệt cẩn thận nhiệt độ gốc, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ. Trong khi các thí nghiệm mà “đỉnh nhiệt” xuất hiện và liên quan tới dòng đối lưu, người ta không biết rằng, đối lưu, bản thân nó đã có thể giải thích cho hiệu ứng Mpemba rồi.
- Môi trường xung quanh –Khác biệt cuối cùng giữa việc làm lạnh 2 bình nước không liên quan đến nước, mà liên quan đến môi trường. Bình nước ấm ban đầu có thể thay đổi môi trường xung quanh nó theo một cách phức tạp nào đó, do đó ảnh hưởng đến quá trình làm lạnh. Ví dụ, nếu một bình được đặt trong một lớp sương dẫn nhiệt kém, nước nóng có thể làm tan lớp sương và tạo ra kệ thống làm lạnh tốt hơn về lâu dài. Lời giải thích này không được khái quát cho lắm vì không có nhiều thí nghiệm được thực hiên trong điều kiện sương giá.
Tóm lại, nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh do nhiều điều kiện. Không phải là không thể, và có thể quan sát được ở một vài thí nghiệm. Tuy nhiên, dù khẳng định được đưa ra bởi nguồn nào thì chẳng có giải thích nào được thống nhất về cách mà hiện tượng này xảy ra cả. Các cơ chế khác nhau được đưa ra nhưng bằng chứng thực nghiệm thì chẳng thuyết phục.
