Bài tập đọc: Hiệu ứng Mpemba

Vào năm 1963, một sinh viên Tanzania trẻ tên là Erasto Mpemba đã nhận thấy rằng kem mà anh đang làm sẽ đông lạnh nhanh hơn nếu hỗn hợp được đặt trong tủ đông khi nóng hơn so với khi nó ở nhiệt độ phòng. Anh đã kiên trì đặt câu hỏi vì sao điều này lại xảy ra, và cuối cùng nhà vật lý Denis Osborne bắt đầu một cuộc điều tra nghiêm túc vào những gì hiện nay được biết đến với tên gọi Hiệu ứng Mpemba. Ông và Mpemba đã cùng viết một bài báo trên tạp chí New Scientist vào năm 1969, trong đó đưa ra mô tả khoa học về một số yếu tố đang hoạt động trong quá trình đông lạnh nước.

Ban đầu, đã được giả thuyết rằng bát nước ấm tự làm nơi cho mình trong băng trên kệ tủ đông, do đó nhúng đáy của nó vào một ‘tổ’ băng, làm tăng tốc quá trình đông lạnh. Giả thuyết này đã được kiểm tra bằng cách so sánh kết quả khi bát nước ấm được đặt lên đá và trên một kệ dây khô; điều này cho thấy rằng tổ băng thực tế không có tác động đáng kể. Một đề xuất thứ hai là nước ấm sẽ bốc hơi ở bề mặt của nó, giảm thiểu thể tích cần phải đông lạnh, nhưng ý tưởng này cũng được cho là không đáng kể.

Các nhiệt kế đặt trong nước cho thấy rằng nước lạnh giảm xuống nhiệt độ đông lạnh trước khi bát nước ấm, và tuy nhiên sau này luôn đông cứng trước. Các thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau cho thấy rằng nước ở 50°C mất nhiều thời gian nhất để đông lạnh trong tủ đông thông thường, trong khi nước ban đầu ở 350°C lại nhanh nhất. Khi được kiểm tra kỹ hơn, một lời giải thích cho nghịch lý này dần dần được hé lộ.

Bề mặt ấm sẽ mất nhiệt nhanh hơn bề mặt lạnh do sự tương phản giữa nhiệt độ; nhưng tất nhiên là có nhiều nhiệt để mất từ một bát hơn bát kia! Nếu bề mặt có thể được giữ ở nhiệt độ cao hơn, tỷ lệ mất nhiệt cao sẽ tiếp tục. Miễn là nước vẫn còn dạng lỏng, phần làm mát ở trên sẽ chìm xuống đáy bát khi nước ấm phía dưới nổi lên thay thế. Việc đông sớm có thể xảy ra ở các bên và đáy của bình chứa sẽ tăng cường hiệu ứng này.

Bát có nhiệt độ lạnh đồng đều hơn sẽ có sự khác biệt nhiệt độ nhỏ hơn, do đó dòng chảy nước sẽ ít. Một yếu tố cản trở khác cho bình chứa này là băng cũng sẽ hình thành khá nhanh trên bề mặt. Điều này không chỉ hoạt động như cách nhiệt, mà còn dừng lại hoàn toàn những hiệu ứng có ích của nước lưu thông bên trong bát.

Cuối cùng, tốc độ làm lạnh lõi của khối nước này trở nên quá chậm đối với bát nước ấm khác luôn được đông lạnh hoàn toàn trước. Mặc dù có những hạn chế trong so sánh này (ví dụ, chúng ta sẽ không thấy được kết quả như vậy nếu một lượng ở 10°C và một lượng ở 990°C) nhưng kết quả nghịch lý này vẫn đúng trong khoảng nhiệt độ từ 5°C đến 35°C như đã nêu trước đó.

Since this research paper was published, the accuracy of the research findings has been questioned by several reviewers. They highlight that the initial experimental question was not clearly defined; for instance, the researchers needed to specify exactly what constituted the freezing of water. They also assert that the speed at which water freezes depends on a multitude of variables.

The size of the container is one such variable; for the Mpemba Effect to be observable, the container must be large enough to allow free circulation of water, yet small enough for the freezing areas on the sides and bottom to effectively extract heat. Additionally, research conducted at a university in St. Louis, Missouri, suggests that the Mpemba Effect may be influenced by water purity or by dissolved gases in the water.

Distilled water is completely devoid of particles that are common in regular drinking water or mineral water. When suspended in water, these particles may slightly affect the rate of cooling, particularly as ice molecules tend to expel them into the surrounding water, where they become more concentrated. Just as salt dissolved in water raises its boiling point and lowers its freezing point, researchers found that the final portion of ordinary water required additional cooling below zero before it could freeze completely solid.

Another factor that can distort the effect is observed if the bowls are not placed simultaneously in the same freezer. In such cases, the freezer's thermostat is more likely to detect the presence of a warmer bowl than a colder one, thereby causing an increase in freezing capacity as the motor activates due to internal temperature changes.

The Mpemba Effect remains incompletely understood, and researchers continue to explore its underlying physics. Physicists have not yet reached a consensus. Some propose the involvement of supercooling, while others suggest that the molecular bonds within water molecules affect the rate of cooling and freezing. A competition in 2013, organized by the Royal Society of Chemistry to explain this phenomenon, attracted over 22,000 entries, with the winning entry suggesting supercooling as a significant factor. Thus, it appears that the question and its underlying explanations continue to intrigue.

Queries 1-7

Write the correct letter, A–O, in boxes 1-7 on your answer sheet.

For more than 2000 years people have wondered why raising the 1… of cold water before cooling it results in more rapid cooling. At first researchers thought that a warm container created its own icy 2…which made the water freeze faster, but comparisons with containers resting on a dry 3…indicated that this was inaccurate. Evaporation of water proved not to be a 4…

Temperature measurements showed that, although the water in the cooler container reached 00C before the warmer one, it took longer to actually solidify. The water temperature drops the most at the top and sides of the container. Provided there is a temperature 5… , the water will continue to circulate and to cool down. Cooler water will have less water 6…, and thus a slower rate of freezing. If ice forms on the top of the water, this will further slow the 7… of freezing, but if it forms on the bottom and the sides of the container, this will increase the rate of cooling.

A. Dissolve

B. Component

C. Procedure

D. Core

E. Speed-up

F. Exterior

G. Element

H. Cavity

I. Substance

J. Flow

K. Restriction

L. Importance

M. Hypothesis

N. Discrepancy

O. Outcome

P. Heat

Queries 8-13

Do the following statements agree with the information given in Reading Passage ? In boxes 8-13 on your answer sheet, write

TRUE – if the statement agrees with the information

FALSE – if the statement contradicts the information

NOT GIVEN – if there is no information on this

8 The Mpemba Effect cannot be seen when comparing liquids with an extreme temperature difference.

9 Osborne and Mpemba’s results are still widely accepted today.

10 The size of the container does not alter the Mpemba Effect.

11 Osborne and Mpemba experimented on both pure and impure water.

12 One variable is the timing of containers in a freezer.

13 Physicists now agree that supercooling accounts for the Mpemba Effect.

Query 14

Select the correct letter, A, B, C or D.

The Mpemba Effect is best summed up as the observation that

A  Ice cream freezes at different temperatures.

B  Different sources of heat result in water cooling at different rates.

C  Salt water freezes at a lower temperature than ordinary water.

D  Warmer water can freeze faster than colder water.

Answers:

1. P

2. H

3. F

4. G

5. N

6. J

7. C

8. TRUE

9. FALSE

10. FALSE

11. NOT GIVEN

12. TRUE

13. FALSE