Nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong một số điều kiện

Năm 1963, một học sinh trung học người Tanzania tên là Erasto Mpemba nhận thấy rằng hỗn hợp kem nóng của mình đông cứng nhanh hơn hỗn hợp kem nguội của các bạn cùng lớp. Ban đầu thầy giáo cho rằng cậu bé đã nhầm lẫn, nhưng thí nghiệm lặp lại đã xác nhận hiện tượng này. Sau đó Mpemba cùng nhà vật lý Denis Osborne của Đại học Dar es Salaam đã công bố kết quả vào năm 1969, và từ đó hiện tượng được gọi là hiệu ứng Mpemba. ^[1]

Hiệu ứng Mpemba là gì?

Hiệu ứng Mpemba chỉ ra rằng trong một số điều kiện, một lượng nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn một lượng nước lạnh có cùng thể tích. Đây không phải là quy luật phổ quát: tùy vào nhiệt độ ban đầu, vật chứa, độ tinh khiết của nước và cách làm lạnh, kết quả có thể đảo ngược. Vì vậy các nhà khoa học xem đây là một hiệu ứng phụ thuộc điều kiện, chứ không phải một định luật đơn giản. ^[1][2]

Điều đáng chú ý là hiệu ứng này dường như đi ngược lại trực giác nhiệt động lực học: nước nóng cần mất nhiều nhiệt hơn để đạt 0 °C, nên thông thường phải đóng băng sau. Việc quan sát thấy điều ngược lại cho thấy có những cơ chế phức tạp đang chi phối quá trình làm lạnh và đóng băng. ^[2]

Những yếu tố có thể góp phần

• Sự bay hơi: nước nóng bốc hơi nhiều hơn, làm giảm khối lượng còn lại và có thể giúp phần nước còn lại đóng băng sớm hơn. ^[2]
• Đối lưu và phân bố nhiệt: dòng đối lưu trong nước nóng có thể làm nhiệt độ đồng đều hơn, ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt ra môi trường. ^[2]
• Khí hòa tan: nước nóng giữ ít khí hòa tan hơn, và sự thay đổi nồng độ khí có thể ảnh hưởng đến điểm đóng băng và quá trình tạo mầm tinh thể băng. ^[2]
• Vật chứa và bề mặt: chất liệu, độ dẫn nhiệt và lớp sương giá trên thành vật chứa có thể tạo điều kiện cho hiệu ứng xuất hiện hoặc biến mất. ^[3]

Vì sao vẫn chưa được giải thích hoàn toàn?

Cho đến nay chưa có một lý thuyết duy nhất được cộng đồng khoa học chấp nhận để giải thích mọi trường hợp quan sát được. Các nghiên cứu cho thấy hiệu ứng phụ thuộc rất nhạy vào thiết kế thí nghiệm, nên những kết quả khác nhau có thể đến từ những cơ chế khác nhau. Điều này khiến hiệu ứng Mpemba trở thành một chủ đề thú vị cho nghiên cứu về chuyển pha và truyền nhiệt. ^[1][2][3]

Mặc dù vậy, hiệu ứng Mpemba không có nghĩa là nước nóng luôn đóng băng trước nước lạnh. Trong nhiều thí nghiệm có kiểm soát, nước lạnh vẫn đóng băng trước như dự đoán thông thường. Hiệu ứng chỉ xuất hiện khi các điều kiện cụ thể hội tụ, và việc tái tạo nó đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các biến số. ^[2][3]