Nước nóng có đóng băng nhanh hơn nước lạnh hay không?

Việc kiểm tra xem nước nóng có đóng băng nhanh hơn nước lạnh hay không nghe có vẻ thật ngớ ngẩn. Nói chung nước đông thành đá ở 0 độ C. Nhưng liệu nước đủ nóng để tiêu diệt vi khuẩn E. coli (khoảng 120 độ F hay 50 độ C) có đông thành đá nhanh hơn nước lạnh (khoảng 60 độ F hay 15 độ C)? Mặc dù có các lập luận lôgic nhưng trên thực thế nước nóng có thể đông cứng nhanh hơn nước lạnh ở một số điều kiện nhất định.

Đặc điểm tự nhiên rõ rệt này được gọi là “hiệu ứng Mpemba” được đặt theo tên học sinh cấp 3 Erasto Mpemba người Tanzania vì là người đầu tiên quan sát được hiện tượng vào năm 1963. Hiệu ứng Mpemba xảy ra khi hai khối nước với nhiệt độ khác nhau cùng được tiếp xúc với môi trường nhiệt độ âm như nhau, lúc đó khối nước nóng hơn sẽ đông cứng trước. Quan sát của Mpemba đã xác nhận linh cảm của một số nhà tư tưởng đáng kính nhất trong lịch sử như Aristotle, Rene Descartes và Francis Bacon. Họ cũng là những người có suy nghĩ rằng nước nóng đông cứng nhanh hơn nước lạnh.

Quá trình bay hơi là nhân tố giúp giải thích hiệu quả nhất về hiệu ức Mpemba. Khi nước nóng được đặt trong vật đựng không đậy kín, nó bắt đầu nguội đi. Khối lượng tổng thể sẽ giảm vì nước bay hơi. Do còn lại ít nước để đông cứng, nên quá trình đông cứng tốn ít thời gian hơn. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng xảy ra như thế, đặc biệt là khi vật đựng nước nóng có nắp đậy. Khi đó nước bay hơi sẽ bị ngăn không thoát ra được. 

Nước nóng có thể đông cứng nhanh hơn nước lạnh ở một số điều kiện nhất định.(Ảnh: sarahmeyerwalsh.files.wordpress)

Quá trình bay hơi không phải là nguyên nhân duy nhất giải thích nước nóng đông cứng nhanh hơn. Trong nước nóng hơn thì có ít khí hòa tan hơn, điều này làm giảm khả năng dẫn nhiệt giúp nó nguội nhanh hơn. Tuy nhiên các nhà vật lý người Ba Lan vào những năm 1980 đã không thể chứng minh mối liên hệ này một cách thuyết phục.

Sự phân bố nhiệt không đồng đều trong nước cũng có thể giải thích hiệu ứng Mpemba. Nước nóng sẽ dâng lên phần đỉnh của vật chứa trước khi bay hơi, đổi chỗ lớp nước lạnh để tạo nên bề mặt nóng. Hoạt động dâng lên của nước nóng và hoạt động chìm xuống của nước lạnh được gọi là dòng đối lưu. Dòng đối lưu là một dạng truyền nhiệt phổ biến ở chất lỏng và chất khí, nó xảy ra trong các đại dương hay lò sưởi giúp làm ấm phòng. Khi lớp nước lạnh hơn nằm ở đáy vật chứa, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều này sẽ tạo nên dòng đối lưu thúc đẩy quá trình nguội đi. Như vậy nước nóng hơn sẽ giảm nhiệt độ nhanh hơn so với nước nguội hơn.

Do vậy lần tới khi phải đổ nước vào khay làm đá, bạn hay sử dụng nước nóng. Khi đó bạn sẽ có đá để uống nhanh hơn.