Những nghịch lý kỳ lạ về tính chất vật lý của nước

"Trong thiên hạ không gì mềm yếu bằng nước nhưng cũng không thứ gì có sức mạnh phá hủy các vật cứng hơn nước", Lão Tử đã viết như vậy về nghịch lý về nước này trong Đạo Đức Kinh. Thật vậy, nhiều tính chất của loại vật chất chiếm hai phần ba cơ thể con người và ba phần bốn Trái Đất này rất kỳ lạ tới mức khoa học vẫn chưa hiểu hết về nó, theo Live Science.

Nước ấm đông đá nhanh hơn nước lạnh

Theo suy nghĩ thông thường, nước nóng sẽ phải mất nhiều thời gian để đóng băng hơn nước lạnh. Tuy nhiên, vào năm 1963, một học sinh trung học Tanzania tên là Erasto Mpemba lần đầu tiên đã quan sát thấy hiện tượng ngược lại. Nước nóng thực sự đóng băng nhanh hơn nước lạnh, khi cùng đặt cả hai trong điều kiện nhiệt độ dưới 0 độ C.

Tới nay vẫn chưa ai lý giải được hiện tượng này, được đặt tên là hiệu ứng Mpemba. Một giả thuyết đặt ra đó là có thể hiệu ứng này là kết quả của quá trình đối lưu. Nước nóng hơn sẽ di chuyển lên trên, đẩy nước lạnh hơn xuống dưới đáy. Các nhà khoa học cho rằng quá trình này có thể đẩy nhanh sự đóng băng, làm nước nóng đóng băng nhanh hơn.

Bề mặt băng trơn trượt. Ảnh: Creative Commons/Kafubra

Bề mặt băng trơn trượt

Trong một thế kỷ rưỡi, các nhà khoa học vẫn không thể lý giải tại sao nước đá gây trơn trượt. Họ đều thống nhất rằng một lớp nước mỏng bên trên băng rắn gây ra tính trơn trượt của nó, do tính di động của chất lỏng nên rất khó để bước đi. Tuy nhiên, không ai biết tại sao trong các chất rắn, chỉ có băng mới có lớp nước này.

Các nhà lý thuyết đã suy đoán rằng có thể chính hành động bước đi hoặc trượt trên băng làm băng tan và xuất hiện lớp nước này. Nhưng cũng có một số khác cho rằng lớp nước đó xuất hiện trước cả khi có người bước lên, có thể là do chuyển động vốn có của các phân tử trên bề mặt.

Đun nước trong không gian

Trên Trái Đất, khi đun nước ta sẽ thấy sự hình thành của nhiều bong bóng nhỏ. Nếu đun trong không gian trọng lực thấp, sẽ thấy chỉ có một bong bóng được tạo thành.

Đây là thí nghiệm được thực hiện trên tàu con thoi vào năm 1992. Trước đó các nhà vật lý không biết điều gì sẽ xảy ra khi đun nước ở môi trường không trọng lực, do tính phức tạp của động lực học chất lỏng. Sau đó, họ đi đến kết luận sự khác biệt là do không có đối lưu và sự nổi khi đun nước trên tàu vũ trụ, hai hiện tượng được gây ra bởi trọng lực.

Xem Video so sánh đun nước trong không gian và trên Trái Đất. 

Hiệu ứng Leidenfrost

Khi một giọt nước rơi vào một bề mặt nóng hơn nhiều so với điểm sôi của nó, nó sẽ di chuyển trên đó lâu hơn so với bạn nghĩ rất nhiều. Hiện tượng này được gọi là "hiệu ứng Leidenfrost". 

Nó xảy ra do bề mặt bên dưới của giọt nước khi bốc hơi, các phân tử hơi nước sẽ không thể thoát đi, tạo thành một lớp cách nhiệt, không cho nước tiếp xúc với bề mặt nhiệt độ cao phía dưới.

Sức căng bề mặt

Đôi khi nước cho cảm giác nó chống lại các định luật vật lý; liên kết với nhau chống lại trọng lực hay gây áp lực lớn lên các vật nặng để phá vỡ chúng. Đây là sức mạnh của sức căng bề mặt, một tính chất làm cho lớp ngoài cùng của một khối nước hoạt động như một cái màng.

Khác với các phân tử nằm trong lòng khối chất lỏng, được kéo từ mọi hướng với một lực như nhau dẫn đến hợp lực bằng 0, các phân tử nằm trên bề mặt chất lỏng không có các lực kéo từ phía trên, dẫn đến hợp lực sẽ kéo các phân tử hướng vào nhau, tạo ra một áp lực nội tại có thể giữ được vật nặng nổi. Như trên hình minh họa, chiếc ghim giấy có thể nổi trên mặt nước dù nó nặng hơn nước rất nhiều.

Sức căng bề mặt của nước có thể giữ cái ghim giấy không chìm. Ảnh: Creative Commons/Alvesgaspar

Nước sôi biến thành tuyết

Khi có một sự chênh lệch nhiệt độ lớn, như giữa nước sôi (100 độ C) và nhiệt độ ngoài trời – 34 độ C, nếu đổ nước sôi ra ngoài, nó sẽ lập tức biến thành tuyết.

Nguyên nhân của hiện tượng này là do không khí ở nhiệt độ thấp rất đặc. Các phân tử khí sắp xếp rất chặt trong không gian, gần như không còn chỗ cho các phân tử hơi nước.

Xem video nước sôi biến thành tuyết.

Trong khi đó, nước sôi lại giải phóng hơi nước rất nhanh. Khi hắt nước sôi ra ngoài không khí lạnh, nó sẽ chuyển thành dạng giọt, làm tăng diện tích bề mặt, đồng nghĩa với đẩy nhanh quá trình giải phóng hơi nước.

Do đó, lượng hơi nước được giải phóng sẽ là rất nhiều, nhiều hơn lượng hơi mà không khí lạnh có thể chứa. Chúng phải bám vào các hạt vi mô trong không khí như natri hay canxi để tạo thành tinh thể, hình thành bông tuyết.

Băng có thể tích lớn hơn, nhẹ hơn nước lỏng

Với hầu hết các chất, thể rắn bao giờ cũng đặc hơn thể lỏng, do các phân tử chất rắn thường sắp xếp chặt hơn, nước thì ngược lại. Khi đóng băng, thể tích của nó tăng khoảng 8%. Đây là lý do tại sao các viên đá hay thậm chí các tảng băng khổng lồ có thể nổi trên nước lỏng.

Băng nhẹ hơn nước nên có thể nổi trên mặt nước. Ảnh: Creative Commons/Mila Zinkova

Khi nước bắt đầu đóng băng, hiện tượng cũng giống các chất khác, các phân tử chuyển động chậm hơn, liên kết hydro giữa các phân tử nước ổn định hơn và chúng đi vào các vị trí cố định. Sự khác biệt nằm ở cấu trúc lục giác trong các tinh thể băng, để lại nhiều khoảng trống, làm cho về tổng thể, băng có thể tích lớn hơn nước lỏng. Có thể thấy rõ hiện tượng này tại các khay đá trong tủ lạnh, luôn có một vùng gồ lên ở giữa các viên đá, đây chính là phần thể tích tăng lên so với nước lỏng.

Hình dạng mỗi bông tuyết là duy nhất

Trong lịch sử nghiên cứu về tuyết, người ta nhận thấy mỗi bông đều có một hình dạng đối xứng duy nhất, không có bông nào giống hệt nhau. Nguyên nhân là mỗi bông tuyết đều bắt đầu hình thành như một cấu trúc lăng kính lục giác đơn giản và rơi xuống. 

Bông tuyết. Ảnh: Kenneth Libbrecht, Caltech

Trong quá trình rơi, chúng trải qua các điều kiện thay đổi hình dạng khác nhau, từ nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí. Những biến số này đảm bảo không bao giờ lặp lại nên không có hai bông tuyết nào giống hệt nhau.

Tuy nhiên, điều thú vị là 6 cạnh của bông tuyết phát triển đồng bộ hoàn hảo, tạo ra sự đối xứng lục giác, do chúng trải qua các điều kiện giống nhau.

Nguồn gốc của nước

Nguồn gốc chính xác của vật chất bao phủ 70% hành tinh này vẫn còn là một bí ẩn với các nhà khoa học. Họ nghi ngờ rằng toàn bộ nước trên Trái Đất đã bốc hơi cách đây 4,5 tỷ năm, do nhận nhiệt lượng quá lớn từ Mặt Trời trẻ. Nghĩa là sau đó nước chúng ta đang sử dụng phải có sau thời điểm đó.

Có thể các vật thể ngoài hệ Mặt Trời, ví dụ như sao chổi, trong đợt bắn phá lớn (Late Heavy Bombardment) đã mang nước tới Trái Đất. Một sao chổi có thành phần là đá và băng, với một cái đuôi dài bằng băng bốc hơi có thể đã va chạm với Trái Đất. 

Nghiên cứu nước bốc hơi từ các sao chổi lớn như Harley, Hyakutake, và Hale-Bopp cho thấy nước của chúng chứa một đồng vị hydro khác với Trái Đất, nặng hơn hydro của nước Trái Đất. Nghĩa là có thể sao chổi không phải là nguồn cấp nước duy nhất.

Nguyễn Thành Minh