Vì sao nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh? pptx

Vì sao nước nóng đôngđặc
nhanh hơn nướclạnh?
Nướcnóng thỉnhthoảngđôngđặc nhanh hơn nướclạnh –nhưng tạisaovậy?
Hiện tượng kì lạ này đã thách đố các nhà khoahọc trongnhiều thế hệ, nhưngnay
đã có bằng chứng chothấy hiệu ứng trên có lẽ phụ thuộc vào những tạp chất ngẫu
nhiêncó mặt trong nước.
Sự đôngđặc nhanh của nướcnóng đượcgọi là hiệu ứng Mpemba, mang tên
một họcsinh người Tanziniatên là Erasto Mpemba. Các nhàvật lí đã đi đến một
vài lời giải thích khả dĩ,như sự bốc hơi nhanh hơn làm giảm thể tíchcủa nước
nóng,một lớp sươnglàm phân cách lớpnước nguội hơn, và nồngđộ khuếchtán
của cácchất tan.Nhưng câu trả lời rất khó dứt khoát vì hiệu ứng trênlà không
chắc chắn – nước lạnhđúng là có khả năng đôngđặc nhanh hơn.
Điểm đôngđặc phụ thuộc vàosự có mặtcủa nhữngtạp chất.
(Ảnh:VilhjalmurIngi Vilhjalmsson/Getty)
James Brownridge, nhân viênan toàn bứcxạ tại trường đạihọc bang New
York ở Binghamton, tin rằng tính ngẫunhiên này là cái thiết yếu. Hơn 10 năm qua,
ông đã thực hiện hàng trămthí nghiệm về hiệuứng Mpemba trongthời gian rảnh
rỗi của mình, và đã có bằng chứng rằnghiệu ứng trênhoạt độngtrên hiện tượng
chậmđông.
“Nướckhông hề đông đặc ở 0
o
C”, Brownridge nói. “Nó thườngchậm đông,
và chỉ bắt đầu đông đặc ở một nhiệt độ thấp hơn”. Điểm đông đặc nàyphụ thuộc
vào tạp chất có mặt trong nước gieo mầm cho sự hình thành những tinh thể băng.
Thôngthường, nướccó thể chứa một vài loại tạp chất, từ những hạt bụi cho đến
các loạimuốn hòatan và vikhuẩn, mỗiloại này kíchhoạt sự đông đặc ở một nhiệt
độ đặc trưng riêng. Tạp chất có nhiệtđộ kếtnhân cao nhất quyếtđịnhnhiệt độ tại
đó nước đông đặc.
Brownridge bắt đầuvới hai mẫu nước ở nhiệt độ bằng nhau– nói thí dụ,
nước vòi ở 20
o

C – trong ống thử kín và làmlạnh chúngxuống bằng máy ướp lạnh.
Một mẫu sẽ đông đặc trước, có thể đoán chừngvì hỗn hợp tạp chấtngẫu nhiên của
nó cho nó một điểmđông đặccao hơn.
Nếu sự chênh lệch đó là đủ lớn, thì hiệu ứng Mpembasẽ xuất hiện.
Brownridge chọnra mẫu cónhiệt độ đông đặc tự nhiên cao hơn để đun nóng lên
80
o
C, làm ấmmẫu kia lên tới nhiệt độ phòng, rồiđưa các ống thử trở lại trong máy
ướplạnh.Nước nóngsẽ luôn luôn đôngđặc nhanhhơn nướclạnh nếunhư điểm
đôngđặc của nócao hơn ít nhất là 5
o
C, Brownrige nói.
Cái cólẽ thật bất ngờ là việc dịch chuyển vạch đích đếnđi chỉ 5
o
C là tạo ra đủ
sự chênhlệch, khi mẫu móng bắt đầu bị bỏ lại 60
o
C phía sau cuộc đua.Nhưng sự
chênh lệch giữamột vật và môi trường xungquanhcủa nó càng lớn – trong trường
hợp nàylà máy ướplạnh –thìnó lạnh đi càngnhanh. Chonên,mẫu nóngsẽ thực
hiện đa phần sự lạnh đi của nórất nhanh,giúp nó đạttới điểm đôngđặc riêngcủa
nó, nói thí dụ ở - 2
o
C, trước khimẫu nước lạnh hơnđạt tới điểm đông đặc của nó là
-7 °C chẳnghạn.
Tại sao chẳng aikhác để ý tới điều này? Brownridge nói rằng những người
khác đã không điềukhiển các điều kiện thí nghiệm đủ tốt để nghiên cứu một yếu tố
tại một thời điểm.Chẳng hạn, cần phải điều khiển loại bình chứa,vị trí đặt vật
trong máy ướp lạnh,vân vân.
Công trình nghiên cứu này khôngcó khả năng kết thúc cuộc tranhcãi

Mpemba.JonathanKatz thuộctrường đạihọc Washington ở St Louis, Missouri, nói
rằng ông thật hoài nghi kết quả trên. Theo lí thuyết riêngcủa Katz, việc đun nóng
làm tăng điểmđông đặc củanó do đã lấy đi những chất tan, thí dụ như cacbon đi-
ôxit. Điều này có nghĩa là việclàm nóngnước thật sự làm tăng cơ hội cho nó đông
đặc trước, không giống như nhữngkết quả ngẫu nhiên hơn màBrownrigeđề xuất.
“Có lẽ ông ta đã tìm ra một hiệu ứng chậmđông tương tự như hiệu ứngMpemba”,
Katz nói.
Lịchsử hiệu ứng Mpemba
Hiện tượng kì lạ này đã có một lịch sử lâu đời. Nó lầnđầutiên đượclưu ý tới
bởi Aristotle vào thế kỉ thứ 4 trướcCông nguyên. “Thật ra thì nước đã được làm
ấm lên trước đó góp phần làm chonó đông đặcnhanh hơn; chonên nólạnh đi mau
hơn”,ông viết. “Vì thế nhiều nghiên cứu, khihọ muốnlàm nướcnóng maunguội
hơn, bắt đầu đưa nó ra ngoài nắng”.
Hiệu ứngtrên còn được biết tới bởi FrancisBacon,người vào năm 1620đã
viết,“nướchơi ấm thì đông đặcnhanh hơn nước khálạnh”. Sau đó,vào năm 1637,
RenéDescartes nói, “Kinh nghiệm cho thấy nước đã được giữ một thời gian dài
trên ngọn lửa sẽ đông đặc sớm hơn những thứ nước khác”.
Vào thập niên 1960,hiệu ứng trên đã gây sự chú ýcủa khoa họcthời hiện đại
khi mộthọc sinh người Tanzaniatên gọi làErasto Mpembanói vớithầy dạy khoa
học của anhta rằnganhta có thể làm kem nhanhhơn bìnhthường bằng cách đưa
một hỗnhợp đã đun nóng vàotrong máy ướp lạnh.Mpemba đã trở thành trò đùa
của lớp cho đến khimột thanhtra viêntrường học ở Dar es Salaamlặp lại thí
nghiệmtrên và minhoan choanh.
Làm thế nào nhìn xuyên qua những
chất mờ đục
Những thí nghiệm mới cho thấy người ta có thể tập trung ánh sáng qua
những chất liệu mờ đục và phát hiện ra những vật nằm ẩn đằng sau chúng,
cho bạn biết khá đầy đủ về chất liệu đó.
Biết đủ về cách thức ánh sáng bị tán xạ quacác
chất sẽ cho phép cácnhà vật lí nhìn xuyên qua

những chất liệu mờ đục, ví dụ như cục đường ở
bên phải. Ngoài ra, các nhà vật lí có thể ssd thông
tin mô tả đặctrưng một chất liệumờ đục để đưa
nó vào làm một thành phần quang chất lượng cao,
có thể sánh với thấu kính thủy tinh ở bên trái.
Ảnh: American PhysicalSociety
Các chất liệu như giấy, sơn, và mô sinh vật là mờ đục vì ánhsáng truyền qua
chúng bị tán xạ theo những kiểu phứctạp và dường như ngẫu nhiên. Mộtthí
nghiệmmới do các nhà nghiêncứu tại Viện Giáo dụcCao cấp Lý Hóa Công nghiệp
thành phố Paris (ESPCI) thực hiện chothấy ngườita có thể tập trung ánhsáng qua
những chất liệu mờ đục và phát hiện ra những vật nằm ẩn đằng sauchúng,cho bạn
biết khá đầy đủ về chất liệu đó. Thí nghiệm đượctường thuật trên số ra hiện nay
của tờPhysical Review Letters,và là đề tài bình luậncủa Elbert vanPutten và Allard
Mosk thuộc trườngđại họcTwente trên tờ APS Physics.
Để chứng minhphương pháp của họ mô tả đặc trưng đượcnhững chất mờ
đục, trước tiên các nhà nghiên cứu cho truyền ánh sángqua mộtlớp kẽm ô-xit,đó
là thành phần chung của nhữngloại nước sơn trắng. Bằng cách nghiên cứu sự thay
đổi đường đi của chùm tia sáng khinóđến gặp chất liệu trên,họ có thể tạo ra một
mô hình số gọi là ma trậntruyền sáng, bao gồm hơn65.000 con số mô tả cách thức
lớp kẽm ô-xit ảnhhưởng đếnánh sáng.Sau đó, họ sử dụng matrận này để điều
khiểnmột chùm ánh sáng đặcbiệt truyền qua lớpchất và tập trung vào phía bên
kia. Như vậy, họ có thể đo ánh sáng ló ra từ chất liệu mờ đục, và sử dụng ma trận
ấy để dựng lên một ảnh của một vậtnằm đằng saunó.
Nói chung, thí nghiệm cho thấy một chấtliệu mờ đục có thể giữ vai trò là một
nguyêntố quangchất lượngcao có thể sánh với một thấu kính thông thường, một
khi matrận truyềnđủ cụ thể được xây dựng nên. Ngoàiviệc cho phép chúngta
nhìn xuyên quagiấy hoặc nướcsơn, và nhìn vào tế bào, kĩ thuật trêncònmở rakhả
năng những chất liệu mờ đục có thể là nhữngnguyên tố quangchất lượngtrong
các dụngcụ nano,ở nhữngcấp độ nơi việcchế tạo các thấu kính trong suốt và
những thành phầnkhác đặc biệt gặp khó khăn.