Nước nào đóng băng nhanh hơn, nóng hay lạnh, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, nhưng bản thân câu hỏi có vẻ hơi lạ. Người ta hiểu và vật lý học cũng biết rằng nước nóng vẫn cần thời gian để hạ nhiệt xuống nhiệt độ tương đương với nước lạnh để biến thành băng. Nước lạnh có thể bỏ qua giai đoạn này và theo đó, nó sẽ thắng kịp thời.

Nhưng câu trả lời cho câu hỏi nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng - trên đường phố khi có sương giá thì bất kỳ cư dân nào ở các vĩ độ phía Bắc đều biết. Trên thực tế, về mặt khoa học, hóa ra trong mọi trường hợp, nước lạnh đơn giản là phải đóng băng nhanh hơn.

Giáo viên vật lý cũng vậy, người đã được cậu học sinh Erasto Mpemba tiếp cận vào năm 1963 với yêu cầu giải thích tại sao hỗn hợp lạnh của kem trong tương lai lại đông cứng lâu hơn hỗn hợp kem tương tự nhưng nóng.

"Đây không phải là vật lý thế giới, mà là một loại vật lý Mpemba nào đó"

Vào thời điểm đó, giáo viên chỉ cười nhạo điều này, nhưng Deniss Osborne, một giáo sư vật lý, người từng học cùng trường nơi Erasto học, đã xác nhận bằng thực nghiệm sự tồn tại của hiệu ứng như vậy, mặc dù khi đó không có lời giải thích nào cho điều này. . Năm 1969, một tạp chí khoa học nổi tiếng đã xuất bản một bài báo chung của hai người mô tả hiệu ứng đặc biệt này.

Nhân tiện, kể từ đó, câu hỏi nước nào đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh, đều có tên riêng - tác dụng hay nghịch lý, Mpemba.

Câu hỏi đã tồn tại từ lâu

Đương nhiên, hiện tượng như vậy đã từng xảy ra trước đây và nó đã được đề cập trong các công trình của các nhà khoa học khác. Không chỉ cậu học sinh quan tâm đến câu hỏi này mà Rene Descartes và thậm chí cả Aristotle đã có lúc nghĩ về nó.

Đây chỉ là những cách tiếp cận để giải quyết nghịch lý này chỉ bắt đầu được xem xét vào cuối thế kỷ XX.

Điều kiện để nghịch lý xảy ra

Đối với kem, không chỉ nước thông thường bị đóng băng trong quá trình thí nghiệm. Phải có một số điều kiện nhất định để bắt đầu tranh luận nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng. Điều gì ảnh hưởng đến quá trình này?

Giờ đây, trong thế kỷ 21, nhiều lựa chọn đã được đưa ra có thể giải thích nghịch lý này. Nước nào đóng băng nhanh hơn, nóng hay lạnh, có thể phụ thuộc vào thực tế là nó có tốc độ bay hơi cao hơn nước lạnh. Do đó, thể tích của nó giảm và khi thể tích giảm, thời gian đóng băng sẽ trở nên ngắn hơn so với khi chúng ta lấy cùng một thể tích nước lạnh ban đầu.

Tủ đông đã rã đông từ lâu

Nước nào đóng băng nhanh hơn và tại sao lại như vậy, có thể bị ảnh hưởng bởi lớp tuyết có thể có trong ngăn đá của tủ lạnh được sử dụng cho thí nghiệm. Nếu bạn lấy hai thùng chứa có thể tích giống nhau, nhưng một trong số chúng sẽ có nước nóng và nước lạnh còn lại, thì thùng chứa nước nóng sẽ làm tan tuyết bên dưới nó, từ đó cải thiện sự tiếp xúc của mức nhiệt với thành tủ lạnh. Bình đựng nước lạnh không thể làm được điều đó. Nếu không có lớp tuyết phủ như vậy trong tủ lạnh, nước lạnh sẽ đóng băng nhanh hơn.

Trên - dưới

Ngoài ra, hiện tượng nước đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh, được giải thích như sau. Tuân theo những quy luật nhất định, nước lạnh bắt đầu đóng băng từ các lớp trên, khi nước nóng thì ngược lại - nó bắt đầu đóng băng từ dưới lên. Hóa ra, nước lạnh, có lớp băng lạnh bên trên đã hình thành ở một số nơi, do đó làm xấu đi quá trình đối lưu và bức xạ nhiệt, từ đó giải thích nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng. Một bức ảnh từ các thí nghiệm nghiệp dư được đính kèm và ở đây có thể thấy rõ nó.

Nhiệt tỏa ra, có xu hướng hướng lên trên và ở đó nó gặp một lớp rất mát. Không có đường đi tự do cho bức xạ nhiệt nên quá trình làm mát trở nên khó khăn. Nước nóng hoàn toàn không có rào cản như vậy trên đường đi của nó. Cái nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng, tùy thuộc vào kết quả có thể xảy ra, bạn có thể mở rộng câu trả lời bằng cách nói rằng bất kỳ loại nước nào cũng có một số chất hòa tan trong đó.

Các tạp chất trong thành phần của nước là yếu tố ảnh hưởng đến kết quả

Nếu bạn không gian lận và sử dụng nước có cùng thành phần, trong đó nồng độ của một số chất giống hệt nhau thì nước lạnh sẽ đóng băng nhanh hơn. Nhưng nếu xảy ra tình huống khi các nguyên tố hóa học hòa tan chỉ có trong nước nóng, còn nước lạnh không có chúng thì nước nóng có cơ hội đóng băng sớm hơn. Điều này được giải thích là do các chất hòa tan trong nước tạo ra các trung tâm kết tinh và với một số lượng nhỏ các trung tâm này thì việc chuyển nước sang trạng thái rắn là rất khó khăn. Thậm chí có thể làm siêu lạnh nước, theo nghĩa là ở nhiệt độ dưới 0, nước sẽ ở trạng thái lỏng.

Nhưng rõ ràng tất cả các phiên bản này đều không phù hợp với các nhà khoa học đến cùng và họ vẫn tiếp tục nghiên cứu vấn đề này. Năm 2013, một nhóm nhà nghiên cứu ở Singapore cho biết họ đã giải đáp được bí ẩn lâu đời.

Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc cho rằng bí mật của hiệu ứng này nằm ở lượng năng lượng được tích trữ giữa các phân tử nước trong liên kết của nó, gọi là liên kết hydro.

Câu trả lời từ các nhà khoa học Trung Quốc

Thông tin thêm sẽ được đưa ra sau, để hiểu được cần phải có một số kiến ​​​​thức về hóa học để tìm ra loại nước nào đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh. Như bạn đã biết, nó bao gồm hai nguyên tử H (hydro) và một nguyên tử O (oxy) được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị.

Nhưng các nguyên tử hydro của một phân tử cũng bị thu hút bởi các phân tử lân cận, với thành phần oxy của chúng. Những liên kết này được gọi là liên kết hydro.

Đồng thời, điều đáng ghi nhớ là cùng lúc đó, các phân tử nước tác động đẩy nhau. Các nhà khoa học lưu ý rằng khi nước được làm nóng, khoảng cách giữa các phân tử của nó tăng lên và điều này được tạo điều kiện thuận lợi bởi lực đẩy. Hóa ra, chiếm một khoảng cách giữa các phân tử ở trạng thái lạnh, người ta có thể nói rằng chúng giãn ra và chúng có nguồn cung cấp năng lượng lớn hơn. Chính năng lượng dự trữ này được giải phóng khi các phân tử nước bắt đầu tiếp cận nhau, tức là xảy ra hiện tượng làm mát. Hóa ra, nguồn cung cấp năng lượng lớn hơn trong nước nóng và sự giải phóng lớn hơn khi được làm lạnh đến nhiệt độ dưới 0, xảy ra nhanh hơn so với trong nước lạnh, nơi có nguồn cung cấp năng lượng như vậy nhỏ hơn. Vậy nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng? Trên đường phố và trong phòng thí nghiệm, nghịch lý Mpemba sẽ xảy ra và nước nóng sẽ biến thành băng nhanh hơn.

Nhưng câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ

Chỉ có xác nhận về mặt lý thuyết cho manh mối này - tất cả những điều này được viết bằng những công thức đẹp đẽ và có vẻ hợp lý. Nhưng khi dữ liệu thực nghiệm về nước đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh, được đưa vào thực tế và kết quả của chúng được trình bày, thì có thể coi câu hỏi về nghịch lý Mpemba đã khép lại.

Hiệu ứng Mpemba hay tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh? Hiệu ứng Mpemba (Nghịch lý Mpemba) là một nghịch lý nói rằng nước nóng trong một số điều kiện nhất định đóng băng nhanh hơn nước lạnh, 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 những ý tưởng thông thường, theo đó, trong cùng điều kiện, vật nóng hơn cần nhiều thời gian hơn để hạ nhiệt đến một nhiệt độ nhất định so với vật mát hơn để hạ nhiệt đến cùng nhiệt độ. Hiện tượng này đã được Aristotle, Francis Bacon và Rene Descartes chú ý vào thời điểm đó, nhưng chỉ đến năm 1963, cậu học sinh người Tanzania Erasto Mpemba mới phát hiện ra rằng hỗn hợp kem nóng đông lạnh nhanh hơn hỗn hợp kem lạnh. Erasto Mpemba là học sinh trường trung học Magambin ở Tanzania làm công việc nấu ăn thực tế. Anh phải tự làm kem - đun sôi sữa, hòa tan đường trong đó, để nguội đến nhiệt độ phòng rồi cho vào tủ lạnh để đông lại. Rõ ràng, Mpemba không phải là một học sinh đặc biệt siêng năng và đã trì hoãn phần đầu tiên của bài tập. Sợ kết thúc buổi học không kịp, anh cho sữa còn nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó đông cứng thậm chí còn sớm hơn cả sữa của đồng đội anh, được pha chế theo công nghệ nhất định. Sau đó, Mpemba không chỉ thử nghiệm với sữa mà còn với nước thông thường. Dù thế nào đi nữa, khi còn là học sinh trường trung học Mkvava, anh đã hỏi Giáo sư Dennis Osborne từ trường Cao đẳng Đại học ở Dar es Salaam (được giám đốc trường mời đến giảng về vật lý cho học sinh) về nước: "Nếu bạn lấy hai thùng chứa giống hệt nhau có thể tích nước bằng nhau sao cho nước ở một thùng có nhiệt độ 35 ° C, thùng kia có nhiệt độ 100 ° C, rồi cho vào ngăn đá, sau đó ở thùng thứ hai nước sẽ đóng băng nhanh hơn. Tại sao? Osborne bắt đầu quan tâm đến vấn đề này và ngay sau đó vào năm 1969, cùng với Mpemba, họ đã công bố kết quả thí nghiệm của mình trên tạp chí "Giáo dục Vật lý". Kể từ đó, hiệu ứng họ phát hiện ra được gọi là hiệu ứng Mpemba. Cho đến nay, không ai biết chính xác lý giải hiệu ứng kỳ lạ này như thế nào. Các nhà khoa học không có một phiên bản duy nhất, mặc dù có rất nhiều. Tất cả là về sự khác biệt về tính chất của nước nóng và nước lạnh, nhưng vẫn chưa rõ đặc tính nào đóng vai trò trong trường hợp này: sự khác biệt về quá trình siêu lạnh, bay hơi, hình thành băng, đối lưu hoặc ảnh hưởng của khí hóa lỏng lên nước tại nhiệt độ khác nhau. Nghịch lý của hiệu ứng Mpemba là thời gian cơ thể nguội đi đến nhiệt độ môi trường phải tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể này và môi trường. Định luật này do Newton đưa ra và từ đó đến nay đã được xác nhận nhiều lần trong thực tế. Với hiệu ứng tương tự, nước ở 100°C nguội đi xuống 0°C nhanh hơn so với cùng một lượng nước ở 35°C. Tuy nhiên, điều này chưa hàm ý một nghịch lý, vì hiệu ứng Mpemba cũng có thể được giải thích trong phạm vi vật lý đã biết. Dưới đây là một số giải thích cho hiệu ứng Mpemba: Sự bay hơi Nước nóng bay hơi nhanh hơn từ thùng chứa, do đó làm giảm thể tích của nó và một lượng nước nhỏ hơn ở cùng nhiệt độ sẽ đóng băng nhanh hơn. Nước được làm nóng đến 100 C mất 16% khối lượng khi được làm lạnh đến 0 C. Hiệu ứng bay hơi là hiệu ứng kép. Đầu tiên, lượng nước cần thiết để làm mát giảm đi. Và thứ hai, nhiệt độ giảm do nhiệt bay hơi của quá trình chuyển từ pha nước sang pha hơi giảm. Chênh lệch nhiệt độ Do chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và không khí lạnh lớn hơn - do đó quá trình trao đổi nhiệt trong trường hợp này diễn ra mạnh hơn và nước nóng nguội nhanh hơn. Làm mát phụ Khi nước được làm lạnh xuống dưới 0 C, nó không phải lúc nào cũng đóng băng. Trong những điều kiện nhất định, nó có thể trải qua quá trình siêu lạnh trong khi vẫn tiếp tục duy trì 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. Nguyên nhân của hiệu ứng này là để những tinh thể băng đầu tiên bắt đầu hình thành, cần có các trung tâm hình thành tinh thể. Nếu chúng không ở trong nước lỏng thì quá trình siêu lạnh sẽ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ giảm đủ để các tinh thể bắt đầu hình thành một cách tự nhiên. Khi chúng bắt đầu hình thành trong chất lỏng siêu lạnh, chúng sẽ bắt đầu phát triển nhanh hơn, tạo thành một khối băng và sẽ đóng băng để tạo thành băng. Nước nóng dễ bị hạ thân nhiệt nhất vì đun nóng 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 băng. Tại sao hạ thân nhiệt khiến nước nóng đóng băng nhanh hơn? Trong trường hợp nước lạnh không được làm lạnh quá mức, điều sau đây sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt bình. Lớp băng này sẽ hoạt động như một chất cách nhiệt giữa nước và không khí lạnh và sẽ ngăn chặn sự bốc hơi thêm. Tốc độ hình thành tinh thể băng trong trường hợp này sẽ ít hơn. Trong trường hợp nước nóng trải qua quá trình làm mát phụ, nước được làm mát phụ không có lớp băng bảo vệ bề mặt. Do đó, nó mất nhiệt nhanh hơn nhiều qua phần trên mở. Khi quá trình siêu lạnh kết thúc và nước đóng băng, lượng nhiệt bị mất đi nhiều hơn và do đó tạo thành nhiều băng hơn. Nhiều nhà nghiên cứu về hiệu ứng này coi việc hạ thân nhiệt là yếu tố chính trong trường hợp hiệu ứng Mpemba. Đối lưu Nước lạnh bắt đầu đóng băng từ phía trên, do đó làm xấu đi quá trình bức xạ nhiệt và đối lưu, dẫn đến mất nhiệt, trong khi nước nóng bắt đầu đóng băng từ bên dưới. Hiệu ứng này được giải thích là do sự bất thường về mật độ của nước. Nước có mật độ tối đa là 4 C. Nếu bạn làm lạnh nước đến 4 C và đặt ở nhiệt độ thấp hơn, lớp nước bề mặt sẽ đóng băng nhanh hơn. Vì nước này nhẹ hơn nước ở nhiệt độ 4°C nên sẽ đọng lại trên bề mặt, tạo thành một lớp lạnh mỏng. Trong những điều kiện này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt nước trong thời gian ngắn, nhưng lớp băng này sẽ đóng vai trò như chất cách điện bảo vệ các lớp nước bên dưới, lớp này sẽ duy trì ở nhiệt độ 4 C. Do đó , làm mát thêm sẽ chậm hơn. Trong trường hợp nước nóng, tình hình hoàn toàn khác. Lớp nước bề mặt sẽ nguội nhanh hơn do bốc hơi và chênh lệch nhiệt độ lớn hơn. Ngoài ra, lớp nước lạnh dày đặc hơn lớp nước nóng nên lớp nước lạnh sẽ chìm xuống, nâng lớp nước ấm lên trên bề mặt. Sự tuần hoàn nước này đảm bảo nhiệt độ giảm nhanh chóng. Nhưng tại sao quá trình này không đạt đến điểm cân bằng? Để giải thích hiệu ứng Mpemba theo quan điểm đối lưu này, người ta giả định rằng các lớp nước lạnh và nóng được tách ra và quá trình đối lưu vẫn tiếp tục sau khi nhiệt độ trung bình của nước giảm xuống dưới 4 C. Tuy nhiên, không có dữ liệu thực nghiệm điều đó sẽ xác nhận giả thuyết này rằng các lớp nước lạnh và nóng 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. Những loại khí này có khả năng hạ thấp điểm đóng băng của nước. Khi nước nóng lên, các khí này thoát ra khỏi nước vì độ hòa tan của chúng trong nước ở nhiệt độ cao thấp hơn. Do đó, khi nước nóng được làm mát, luôn có ít khí hòa tan trong đó hơn so với nước lạnh không được làm nóng. Do đó, điểm đóng băng của nước nóng cao hơn và đóng băng nhanh hơn. Yếu tố này đôi khi được coi là yếu tố chính giải thích hiệu ứng Mpemba, mặc dù không có dữ liệu thực nghiệm nào xác nhận thực tế này. Độ dẫn nhiệt Cơ chế này có thể đóng một vai trò quan trọng khi nước được đặt trong tủ đông trong các thùng chứa nhỏ. Trong những điều kiện này, người ta đã quan sát thấy rằng thùng chứa nước nóng sẽ làm tan băng của ngăn đông bên dưới, do đó cải thiện sự tiếp xúc nhiệt với thành của ngăn đông và độ dẫn nhiệt. Kết quả là nhiệt thoát ra khỏi bình nước nóng nhanh hơn so với bình nước lạnh. Đổi lại, thùng chứa nước lạnh không làm tan tuyết bên dưới. Tất cả những điều kiện này (cũng như những điều kiện khác) đã được nghiên cứu trong nhiều thí nghiệm, nhưng vẫn chưa tìm được câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi - điều kiện nào trong số chúng cung cấp khả năng tái tạo 100% hiệu ứng Mpemba - vẫn chưa được tìm ra. Vì vậy, chẳng hạn, vào năm 1995, nhà vật lý người Đức David Auerbach đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc nước siêu lạnh 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, và do đó nhanh hơn nước lạnh. Nhưng nước lạnh đạt đến trạng thái siêu lạnh nhanh hơn nước nóng, từ đó bù đắp cho độ trễ trước đó. Ngoài ra, kết quả của Auerbach mâu thuẫn với dữ liệu trước đó cho rằng nước nóng có thể đạt được hiệu suất siêu lạnh lớn hơn do có ít trung tâm kết tinh hơn. Khi nước được đun nóng, các khí hòa tan trong đó sẽ bị loại bỏ và khi đun sôi, một số muối hòa tan trong đó sẽ kết tủa. Cho đến nay, chỉ có thể khẳng định một điều - việc tái tạo hiệu ứng này về cơ bản phụ thuộc vào các điều kiện mà thí nghiệm được thực hiện. Chính xác là vì nó không phải lúc nào cũng được sao chép. O. V. Mosin

Rõ ràng là nước lạnh đóng băng nhanh hơn nước nóng, vì trong những điều kiện như nhau, nước nóng mất nhiều thời gian hơn để nguội và sau đó đóng băng. Tuy nhiên, hàng ngàn 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 Science 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 đến từ Tanzania, người đã làm kem trong một dự án của trường vào năm 1963. Các học sinh phải đun sôi hỗn hợp kem và đường, để nguội rồi cho vào ngăn đá tủ lạnh.

Thay vào đó, Erasto đun nóng hỗn hợp của mình ngay lập tức mà không cần đợi nguội. Kết quả là sau 1,5 giờ, hỗn hợp của anh ấy đã đông cứng, còn hỗn hợp của các sinh viên khác thì không. Bị thu hút bởi hiện tượng này, Mpemba bắt đầu nghiên cứu vấn đề này với giáo sư vật lý Denis Osborn, 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 được bình duyệt đầu tiên thuộc loại này, 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. đ. Francis Bacon và Descartes cũng ghi nhận hiện tượng này trong 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, do đó nước lạnh có băng sẽ giữ nhiệt tốt hơn một chiếc cốc ấm làm tan băng khi tiếp xúc với nó.
2. Nước lạnh có nhiều khí hòa tan hơn nước ấm và các nhà nghiên cứu suy đoán rằng điều này có thể đóng một vai trò trong tốc độ làm mát, mặc dù vẫn chưa rõ ràng như thế nào.
3. Nước nóng mất nhiều phân tử nước hơn do bay hơi, khiến ít phân tử nước bị đóng băng hơn
4. Nước ấm có thể nguội nhanh hơn do dòng đối lưu tăng lên. Những dòng điện này xảy ra do nước trong thủy tinh lúc đầu nguội đi trên bề mặt và các mặt, khiến nước lạnh chìm xuống và nước nóng dâng lên. Trong ly ấm, dòng đối lưu hoạt động mạnh hơn, có thể ảnh hưởng đến tốc độ làm mát.

Tuy nhiên, vào năm 2016, một nghiên cứu được kiểm soát cẩn thận đã được thực hiện 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 sự thay đổi vị trí của cặp nhiệt điện - thiết bị xác định chênh lệch nhiệt độ - chỉ bằng một centimet sẽ dẫn đến sự xuất hiện của hiệu ứng Mpemba. Một nghiên cứu về công việc tương tự khác cho thấy rằng trong mọi trường hợp khi quan sát thấy hiệu ứng này, cặp nhiệt điện có sự dịch chuyển trong phạm vi một centimet.

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

Erasto Mpemba là học sinh trường trung học Magambin ở Tanzania làm công việc nấu ăn thực tế. Anh phải tự làm kem - đun sôi sữa, hòa tan đường trong đó, để nguội đến nhiệt độ phòng rồi cho vào tủ lạnh để đông lại. Rõ ràng, Mpemba không phải là một học sinh đặc biệt siêng năng và đã trì hoãn phần đầu tiên của bài tập. Sợ kết thúc buổi học không kịp, anh cho sữa còn nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó đông cứng thậm chí còn sớm hơn cả sữa của đồng đội anh, được pha chế theo công nghệ nhất định.

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

Dù thế nào đi nữa, khi còn là học sinh của trường Trung học Mkvava, anh đã hỏi Giáo sư Dennis Osborne từ Đại học Cao đẳng ở Dar es Salaam (được giám đốc trường mời giảng về vật lý cho học sinh) về nước: “Nếu Bạn lấy hai thùng chứa giống hệt nhau có thể tích nước bằng nhau sao cho nước ở một thùng có nhiệt độ 35 ° C và thùng kia - 100 ° C, rồi cho chúng vào ngăn đá, sau đó ở thùng thứ hai nước sẽ đóng băng nhanh hơn. Tại sao?" Osborn bắt đầu quan tâm đến vấn đề này và ngay sau đó vào năm 1969, cùng với Mpemba, họ đã công bố kết quả thí nghiệm của mình trên tạp chí Giáo dục Vật lý. Kể từ đó, hiệu ứng họ phát hiện ra được gọi là hiệu ứng Mpemba.

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

Hiệu ứng Mpemba (Mpemba Paradox) là một nghịch lý nói rằng nước nóng trong những điều kiện nhất định đóng băng nhanh hơn nước lạnh, 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 những ý tưởng thông thường, theo đó, trong cùng điều kiện, vật nóng hơn cần nhiều thời gian hơn để hạ nhiệt đến một nhiệt độ nhất định so với vật mát hơn để hạ nhiệt đến cùng nhiệt độ.

Hiện tượng này đã được Aristotle, Francis Bacon và Rene Descartes chú ý vào thời điểm đó. Cho đến nay, không ai biết chính xác lý giải hiệu ứng kỳ lạ này như thế nào. Các nhà khoa học không có một phiên bản duy nhất, mặc dù có rất nhiều. Tất cả là về sự khác biệt về tính chất của nước nóng và nước lạnh, nhưng vẫn chưa rõ đặc tính nào đóng vai trò trong trường hợp này: sự khác biệt về quá trình siêu lạnh, bay hơi, hình thành băng, đối lưu hoặc ảnh hưởng của khí hóa lỏng lên nước tại nhiệt độ khác nhau. Nghịch lý của hiệu ứng Mpemba là thời gian cơ thể nguội đi đến nhiệt độ môi trường phải tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể này và môi trường. Định luật này do Newton đưa ra và từ đó đến nay đã được xác nhận nhiều lần trong thực tế. Với hiệu ứng tương tự, nước ở 100°C nguội đi xuống 0°C nhanh hơn so với cùng một lượng nước ở 35°C.

Kể từ đó, các phiên bản khác nhau đã được thể hiện, một trong số đó là như sau: lúc đầu một phần nước nóng chỉ bay hơi, sau đó, khi còn lại một lượng nhỏ hơn, nước sẽ đông đặc nhanh hơn. Phiên bản này do tính đơn giản nên đã trở nên phổ biến nhất nhưng các nhà khoa học chưa hoàn toàn hài lòng.

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

Như bạn đã biết, các 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 trông giống như sự trao đổi electron. Một thực tế nổi tiếng khác là các nguyên tử hydro bị thu hút bởi các nguyên tử oxy từ các phân tử lân cận - trong trường hợp này, các liên kết hydro được hình thành.

Đồng thời, toàn bộ các phân tử nước đẩy nhau. Các nhà khoa học Singapore nhận thấy 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 dự trữ nhiều năng lượng hơn. Năng lượng này được giải phóng khi nước nguội đi - các phân tử tiến lại gần nhau. Và sự trở lại của năng lượng, như bạn biết, có nghĩa là làm mát.

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

Bay hơi

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

Nhiệt độ khác nhau

Do chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và không khí lạnh lớn hơn - do đó, quá trình truyền nhiệt trong trường hợp này mạnh hơn và nước nóng nguội nhanh hơn.

hạ thân nhiệt
Khi nước được làm lạnh xuống dưới 0°C, nó không phải lúc nào cũng đóng băng. Trong những điều kiện nhất định, nó có thể trải qua quá trình siêu lạnh trong khi vẫn tiếp tục duy trì 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 -20°C. Lý do cho hiệu ứng này là để những tinh thể băng đầu tiên bắt đầu hình thành, cần có các trung tâm hình thành tinh thể. Nếu chúng không ở trong nước lỏng thì quá trình siêu lạnh sẽ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ giảm đủ để các tinh thể bắt đầu hình thành một cách tự nhiên. Khi chúng bắt đầu hình thành trong chất lỏng siêu lạnh, chúng sẽ bắt đầu phát triển nhanh hơn, tạo thành một khối băng và sẽ đóng băng để tạo thành băng. Nước nóng dễ bị hạ thân nhiệt nhất vì đun nóng 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 băng. Tại sao hạ thân nhiệt khiến nước nóng đóng băng nhanh hơn? Trong trường hợp nước lạnh không được làm lạnh quá mức, điều xảy ra là một lớp băng mỏng hình thành trên bề mặt của nó, hoạt động như một chất cách điện giữa nước và không khí lạnh, do đó ngăn chặn sự bay hơi thêm. Tốc độ hình thành tinh thể băng trong trường hợp này sẽ ít hơn. Trong trường hợp nước nóng trải qua quá trình làm mát phụ, nước được làm mát phụ không có lớp băng bảo vệ bề mặt. Do đó, nó mất nhiệt nhanh hơn nhiều qua phần trên mở. Khi quá trình siêu lạnh kết thúc và nước đóng băng, lượng nhiệt bị mất đi nhiều hơn và do đó tạo thành nhiều băng hơn. Nhiều nhà nghiên cứu về hiệu ứng này coi việc hạ thân nhiệt là yếu tố chính trong trường hợp hiệu ứng Mpemba.
đối lưu

Nước lạnh bắt đầu đóng băng từ phía trên, do đó làm xấu đi quá trình bức xạ nhiệt và đối lưu, dẫn đến mất nhiệt, trong khi nước nóng bắt đầu đóng băng từ bên dưới. Hiệu ứng này được giải thích là do sự bất thường về mật độ của nước. Nước có mật độ tối đa ở 4°C. Nếu bạn làm lạnh nước xuống 4°C và đặt nó trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn, lớp nước bề mặt sẽ đóng băng nhanh hơn. Vì nước này nhẹ hơn nước ở nhiệt độ 4°C nên sẽ đọng lại trên bề mặt, tạo thành một lớp lạnh mỏng. Trong những điều kiện này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt nước trong thời gian ngắn, nhưng lớp băng này sẽ đóng vai trò như chất cách điện bảo vệ các lớp nước bên dưới, nhiệt độ sẽ duy trì ở mức 4°C. Do đó, quá trình làm mát tiếp theo sẽ chậm hơn. Trong trường hợp nước nóng, tình hình hoàn toàn khác. Lớp nước bề mặt sẽ nguội đi nhanh hơn do sự bay hơi và chênh lệch nhiệt độ lớn hơn. Ngoài ra, lớp nước lạnh dày đặc hơn lớp nước nóng nên lớp nước lạnh sẽ chìm xuống, nâng lớp nước ấm lên trên bề mặt. Sự tuần hoàn nước này đảm bảo nhiệt độ giảm nhanh chóng. Nhưng tại sao quá trình này không đạt đến điểm cân bằng? Để giải thích hiệu ứng Mpemba theo quan điểm đối lưu, người ta giả định rằng các lớp nước lạnh và nóng được tách ra và quá trình đối lưu vẫn tiếp tục sau khi nhiệt độ trung bình của nước giảm xuống dưới 4°C. Tuy nhiên, không có bằng chứng thực nghiệm nào ủng hộ giả thuyết này rằng các lớp nước lạnh và nóng 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. Những loại khí này có khả năng hạ thấp điểm đóng băng của nước. Khi nước nóng lên, các khí này thoát ra khỏi nước vì độ hòa tan của chúng trong nước ở nhiệt độ cao thấp hơn. Do đó, khi nước nóng được làm mát, luôn có ít khí hòa tan trong đó hơn so với nước lạnh không được làm nóng. Do đó, điểm đóng băng của nước nóng cao hơn và đóng băng nhanh hơn. Yếu tố này đôi khi được coi là yếu tố chính giải thích hiệu ứng Mpemba, mặc dù không có dữ liệu thực nghiệm nào xác nhận thực tế này.

Dẫn nhiệt

Cơ chế này có thể đóng một vai trò quan trọng khi nước được đặt trong ngăn đá tủ lạnh trong các thùng chứa nhỏ. Trong những điều kiện này, người ta đã quan sát thấy rằng thùng chứa nước nóng sẽ làm tan băng của ngăn đông bên dưới, do đó cải thiện sự tiếp xúc nhiệt với thành của ngăn đông và độ dẫn nhiệt. Kết quả là nhiệt thoát ra khỏi bình nước nóng nhanh hơn so với bình nước lạnh. Đổi lại, thùng chứa nước lạnh không làm tan tuyết bên dưới. Tất cả những điều kiện này (cũng như những điều kiện khác) đã được nghiên cứu trong nhiều thí nghiệm, nhưng vẫn chưa tìm được câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi - điều kiện nào trong số chúng cung cấp khả năng tái tạo 100% hiệu ứng Mpemba - vẫn chưa được tìm ra. Vì vậy, chẳng hạn, vào năm 1995, nhà vật lý người Đức David Auerbach đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc nước siêu lạnh 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, và do đó nhanh hơn nước lạnh. Nhưng nước lạnh đạt đến trạng thái siêu lạnh nhanh hơn nước nóng, từ đó bù đắp cho độ trễ trước đó. Ngoài ra, kết quả của Auerbach mâu thuẫn với dữ liệu trước đó cho rằng nước nóng có thể đạt được hiệu suất siêu lạnh lớn hơn do có ít trung tâm kết tinh hơn. Khi nước được đun nóng, các khí hòa tan trong đó sẽ bị loại bỏ và khi đun sôi, một số muối hòa tan trong đó sẽ kết tủa. Cho đến nay, chỉ có thể khẳng định một điều - việc tái tạo hiệu ứng này phụ thuộc đáng kể vào các điều kiện mà thí nghiệm được thực hiện. Chính xác là vì nó không phải lúc nào cũng được sao chép.

Và đây là lý do có khả năng nhất.

Như các nhà hóa học viết trong bài báo của họ, có thể tìm thấy trên trang web in sẵn arXiv.org, các liên kết hydro bị kéo căng mạnh hơn trong nước nóng so với trong nước lạnh. Do đó, hóa ra nhiều năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hydro của nước nóng, có nghĩa là nhiều năng lượng được giải phóng hơn khi được làm lạnh đến nhiệt độ dưới 0. Vì lý do này, quá trình đóng băng diễn ra nhanh hơn.

Cho 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 đóng băng nhanh hơn nước lạnh có thể được coi là khép lại.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Nước nào đóng băng nhanh hơn khi lạnh hay nóng?”- hãy thử hỏi bạn bè của bạn một câu hỏi, rất có thể hầu hết họ sẽ trả lời rằng nước lạnh đóng băng nhanh hơn - và mắc sai lầm.

Trên thực tế, nếu bạn đồng thời đặt hai bình có hình dạng và thể tích giống nhau vào tủ đông, một bình chứa nước lạnh và bình kia chứa nước nóng, thì nước nóng sẽ đông cứng nhanh hơn.

Một tuyên bố như vậy có vẻ vô lý và không hợp lý. Về mặt logic, nước nóng trước tiên phải nguội đến nhiệt độ lạnh và nước lạnh lúc này đã biến thành băng.

Vậy tại sao nước nóng lại vượt qua nước lạnh trên đường đóng băng? Hãy cố gắng tìm ra nó.

Lịch sử quan sát và nghiên cứu

Người ta đã quan sát thấy hiệu ứng nghịch lý này từ xa xưa nhưng không ai coi trọng nó. Vì vậy, sự không nhất quán về tốc độ đóng băng của nước lạnh và nước nóng đã được Arestotel cũng như Rene Descartes và Francis Bacon ghi nhận trong ghi chú của họ. Một hiện tượng bất thường thường xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày.

Trong một thời gian dài, hiện tượng này không được nghiên cứu dưới bất kỳ hình thức nào và không thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.

Nghiên cứu về hiệu ứng bất thường bắt đầu vào năm 1963, khi một sinh viên tò mò đến từ Tanzania, Erasto Mpemba, nhận thấy rằng sữa nóng làm kem đông lạnh nhanh hơn sữa lạnh. Mong nhận được lời giải thích nguyên nhân gây ra hiệu ứng bất thường, chàng trai đã hỏi giáo viên vật lý ở trường. Tuy nhiên, giáo viên chỉ cười nhạo anh ta.

Sau đó, Mpemba lặp lại thí nghiệm, nhưng trong thí nghiệm của mình, ông không còn dùng sữa nữa mà sử dụng nước, và hiệu ứng nghịch lý lại được lặp lại.

Sáu năm sau, vào năm 1969, Mpemba hỏi câu hỏi này với giáo sư vật lý Dennis Osborne, người đã đến trường ông. Giáo sư quan tâm đến việc quan sát chàng trai trẻ, kết quả là một thí nghiệm đã được tiến hành để xác nhận sự hiện diện của hiệu ứng này, nhưng nguyên nhân của hiện tượng này vẫn chưa được xác định.

Kể từ đó, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Mpemba.

Trong suốt lịch sử quan sát khoa học, nhiều giả thuyết đã được đưa ra về nguyên nhân của hiện tượng này.

Vì vậy, vào năm 2012, Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh sẽ công bố một cuộc thi giả thuyết để giải thích hiệu ứng Mpemba. Các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới tham gia cuộc thi, tổng cộng 22.000 bài báo khoa học đã được đăng ký. Mặc dù có số lượng bài báo ấn tượng như vậy nhưng không có bài nào làm rõ nghịch lý Mpemba.

Phổ biến nhất là phiên bản theo đó, nước nóng đóng băng nhanh hơn, vì đơn giản là nó bay hơi nhanh hơn, thể tích của nó trở nên nhỏ hơn và khi thể tích giảm, tốc độ làm mát của nó tăng lên. Phiên bản phổ biến nhất cuối cùng đã bị bác bỏ, vì một thí nghiệm đã được tiến hành trong đó loại trừ sự bay hơi, nhưng hiệu quả vẫn được xác nhận.

Các nhà khoa học khác cho rằng nguyên nhân gây ra hiệu ứng Mpemba là do sự bay hơi của các khí hòa tan trong nước. Theo ý kiến ​​​​của họ, trong quá trình đun nóng, các khí hòa tan trong nước sẽ bay hơi, do đó nó thu được mật độ cao hơn nước lạnh. Như đã biết, sự gia tăng mật độ dẫn đến sự thay đổi tính chất vật lý của nước (tăng độ dẫn nhiệt) và do đó làm tăng tốc độ làm mát.

Ngoài ra, một số giả thuyết đã được đưa ra mô tả tốc độ tuần hoàn của nước là một hàm của nhiệt độ. Trong nhiều nghiên cứu, người ta đã cố gắng thiết lập mối quan hệ giữa vật liệu của các thùng chứa chất lỏng. Nhiều lý thuyết có vẻ rất hợp lý, nhưng chúng không thể được xác nhận một cách khoa học do thiếu dữ liệu ban đầu, mâu thuẫn trong các thí nghiệm khác hoặc do các yếu tố được xác định đơn giản là không thể so sánh được với tốc độ làm mát của nước. Một số nhà khoa học trong công trình của họ đã đặt câu hỏi về sự tồn tại của hiệu ứng này.

Năm 2013, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore tuyên bố đã giải đáp được bí ẩn về hiệu ứng Mpemba. Theo nghiên cứu của họ, nguyên nhân của hiện tượng này nằm ở chỗ lượng năng lượng dự trữ trong liên kết hydro giữa các phân tử nước lạnh và nước nóng khác nhau đáng kể.

Phương pháp mô phỏng trên máy tính đã cho kết quả như sau: nhiệt độ của nước càng cao thì khoảng cách giữa các phân tử càng lớn do lực đẩy tăng lên. Do đó, liên kết hydro của các phân tử bị kéo căng, tích trữ nhiều năng lượng hơn. Khi nguội đi, các phân tử bắt đầu tiến lại gần nhau, giải phóng năng lượng từ các liên kết hydro. Trong trường hợp này, sự giải phóng năng lượng đi kèm với việc giảm nhiệt độ.

Vào tháng 10 năm 2017, các nhà vật lý Tây Ban Nha, trong quá trình thực hiện một nghiên cứu khác, đã phát hiện ra rằng việc loại bỏ vật chất khỏi trạng thái cân bằng (nung nóng mạnh trước khi làm lạnh mạnh) đóng vai trò lớn trong việc hình thành hiệu ứng. Họ xác định các điều kiện mà theo đó khả năng đạt được hiệu quả là tối đa. Ngoài ra, các nhà khoa học đến từ Tây Ban Nha đã xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng Mpemba ngược. Họ phát hiện ra rằng khi đun nóng, mẫu lạnh hơn có thể đạt nhiệt độ cao nhanh hơn mẫu ấm.

Mặc dù có thông tin đầy đủ và nhiều thí nghiệm, các nhà khoa học vẫn có ý định tiếp tục nghiên cứu tác dụng.

Hiệu ứng Mpemba ngoài đời thực

Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao vào mùa đông sân băng lại chứa đầy nước nóng mà không lạnh không? Như bạn đã hiểu, họ làm điều này bởi vì một sân trượt băng chứa đầy nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn so với khi nó chứa đầy nước lạnh. Vì lý do tương tự, các đường trượt ở các thị trấn băng mùa đông được đổ đầy nước nóng.

Vì vậy, kiến ​​​​thức về sự tồn tại của hiện tượng này cho phép mọi người tiết kiệm thời gian khi chuẩn bị địa điểm cho các môn thể thao mùa đông.

Ngoài ra, hiệu ứng Mpemba đôi khi được sử dụng trong công nghiệp - để giảm thời gian đóng băng của sản phẩm, chất và vật liệu có chứa nước.