Vì sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh?

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Kỹ thuật Nanyang (Singapore) tin rằng, họ rốt cuộc đã giải mã được bí ẩn tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh - một hiện tượng đã được ghi nhận từ thời triết gia Aristotle của Hy Lạp cổ đại, nhưng cho tới nay vẫn là câu đố hóc búa đối với giới khoa học.

Hiện tượng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh còn được gọi là "Hiệu ứng Mpemba", đặt theo tên một học sinh người Tanzania. Sau khi tham dự các lớp học nấu ăn hồi những năm 1960, nam sinh Erasto Mpemba đã phát hiện, hỗn hợp kem nóng sẽ đông nhanh hơn hỗn hợp kem lạnh và đặt câu hỏi này cho các giáo sư tới thăm trường của cậu vào năm 1968.

Tuy nhiên, từ rất lâu trước khi Mpemba ra đời, các triết gia vĩ đại trong lịch sử như Aristotle và Descartes cũng từng đề cập tới hiện tượng nước đóng băng kỳ lạ như trên.

Sơ đồ mô tả "Hiệu ứng Mpemba": nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn nước lạnh.

Các nhà nghiên cứu đã cố gắng giải thích Hiệu ứng Mpemba bằng nhiều giả thuyết khác nhau, kể cả quan điểm cho rằng vật đựng ấm khiến việc tiếp xúc nhiệt với tủ lạnh tốt hơn, giúp truyền nhiệt nhanh hơn; hay nước ấm bay hơi nhanh hơn, giúp làm mát nước và khiến quá trình đóng băng diễn ra mau lẹ hơn. Dẫu vậy, không giả thuyết nào được đa số giới khoa học chấp nhận.

Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh thậm chí từng treo thưởng 1.000 bảng cho cá nhân hay tổ chức nào đưa ra lời giải thuyết phục.

Trong một nghiên cứu mới, nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Kỹ thuật Nanyang (Singapore), tuyên bố, Hiệu ứng Mpemba do những đặc tính độc nhất vô nhị của các liên kết phân tử của nước gây ra.

Một phân tử nước được hình thành từ các liên kết cộng hóa trị giữa một nguyên tử oxy với 2 nguyên tử hyđro. Tuy nhiên, khi một nguyên tử hyđro của một phân tử nước trôi giạt tới gần nguyên tử oxy trong một phân tử nước khác, chúng kết nối với nhau, tạo thành một liên kết hyđro.

Trong nước lạnh, các liên kết cộng hóa trị O - H dài, trong khi liên kết hyđro ngắn; còn trong nước nóng thì ngược lại

Các liên kết hyđro kéo các phân tử nước lại gần nhau hơn, làm khởi phát lực đẩy tự nhiên giữa chúng, khiến các liên kết cộng hóa trị oxy - hyđro bị kéo căng cũng như dự trữ năng lượng. Vì vậy, khi chất lỏng ấm nóng, nó khiến các phân tử nước ở cách xa nhau hơn do các liên kết hyđro bị kéo giãn.

Khi các phân tử nước co rút trở lại và tỏa năng lượng, dẫn đến tình trạng làm mát, đồng nghĩa với việc nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh, giúp lí giải Hiệu ứng Mpemba.

Để chứng minh giả thuyết của mình, nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Xi Zhang đứng đầu đã tính toán được mức độ tăng làm lạnh, bắt nguồn từ hoạt động phân tử và tiến hành các thí nghiệm cho thấy, đây là thủ phạm gây ra các khác biệt về đóng băng giữa nước nóng và nước lạnh đã quan sát được.

Tuy nhiên, một số chuyên gia vật lý lưu ý rằng, cách giải thích trên hiện không thể dùng để dự đoán các đặc tính mới của nước, vốn có thể được tạo ra từ cách làm ngắn các liên kết cộng hóa trị. Vì vậy, vẫn còn một bước cần giải quyết trước khi bí ẩn được giải đáp thỏa đáng.