Lý giải tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh

Có lẽ nhiều bạn đã từng nghe nói đến việc nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh, hiện tượng này được gọi là Mpemba. Được lấy tên theo một học sinh người Tanzania đã phát hiện ra việc hỗn hợp kem nóng đóng băng nhanh hơn một hỗn hợp lạnh. Sau đó, cậu học sinh đã viết một bài báo trên một tờ báo khoa học về phát hiện của mình vào năm 1969.

Hiệu ứng này lần đầu tiên được quan sát bởi Aristotle vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên. Lý thuyết giải thích hiện tượng Mpemba bao gồm, nước nóng bốc hơi nhanh khiến cho thể tích còn lại giảm khiến việc đóng băng trở nên nhanh hơn, bên cạnh đó hơi nước bốc lên tạo thành một lớp sương trên bề mặt giúp cách nhiệt. Tuy nhiên trên thực tế, hiện tượng này không phải lúc nào cũng xảy ra và bạn sẽ thường xuyên thấy nước lạnh đóng băng nhanh hơn thay vì hiện tượng Mpemba xảy ra.

Cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu chính thức nào nhằm giải thích chính xác lý do tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Mới đây, một nhóm các nhà vật lý tại trường đại học Công nghệ Nanyang, Singapore đã tìm ra lời giải thích cho hiện tượng trên nhờ vào việc phân tích cấu trúc liên kết của các phân tử nước.

Như chúng ta đã biết, mỗi phân tử nước bao gồm một nguyên tử oxy liên kết hóa trị với hai phân tử hydro. Các phân tử nước riêng biệt cũng liên kết với nhau nhờ liên kết hydro, được tạo ra khi một nguyên tử hydro nằm gần một nguyên tử oxy của phân tử nước khác.

Các liên kết hydro 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 - hydro bị kéo căng cũng như dự trữ năng lượng. Khi nước bị đun nóng, các nguyên tử di chuyển ra xa nhau hơn khiến liên kết bị kéo giãn.

Lực liên kết khiến 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.

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.