Nước siêu lạnh là nước đã lạnh dưới 0 °C mà vẫn còn ở thể lỏng, vì chưa có "hạt mầm" nào để tinh thể băng bắt đầu mọc. Chỉ cần gõ mạnh vào chai hoặc rót lên một viên đá, băng sẽ lan khắp chai trong vài giây. Bạn có thể làm điều này ở nhà với một chai nước tinh khiết chưa mở nắp và ngăn đá tủ lạnh trong khoảng hai tiếng.
Vì sao nước không đóng băng đúng ở 0 °C
Ta hay học rằng nước đóng băng ở 0 °C. Chính xác hơn: 0 °C là nhiệt độ mà nước lỏng và nước đá có thể cùng tồn tại cân bằng. Dưới mức đó, đá "thích" tồn tại hơn, nhưng để đá xuất hiện thì vài trăm phân tử nước phải tình cờ xếp được thành một mầm tinh thể đủ lớn. Mầm quá nhỏ thì tan ngay, giống như một đám đông muốn xếp hàng nhưng chưa ai chịu đứng trước.
Trong đời thường, việc khởi đầu này gần như luôn có người giúp: một hạt bụi, một vết xước trên thành cốc, một bọt khí, một mẩu đá có sẵn. Các nhà khoa học gọi đó là tạo mầm không đồng nhất. Nước máy, nước trong khay đá đầy những chỗ như vậy, nên đóng băng ở ngay quanh 0 °C hoặc thấp hơn chút ít.
Nhưng nước sạch, đựng trong chai nhựa trơn láng, để yên không lay động thì thiếu chỗ bám. Nó có thể lạnh xuống −5, −10 °C, thậm chí thấp hơn, mà vẫn trong veo. Trong phòng thí nghiệm, những giọt nước cực nhỏ và cực sạch giữ được thể lỏng tới khoảng −38 đến −40 °C. Dưới mức đó, các phân tử tự xếp thành mầm mà không cần ai giúp.
Thí nghiệm tại nhà: chai nước đóng băng trong nháy mắt
Chuẩn bị
- Vài chai nước tinh khiết đóng chai loại 330–500 ml, chưa mở nắp, vỏ nhựa. Không dùng chai thuỷ tinh vì có thể nứt; không dùng nước ngọt có ga vì chai có thể phình, bật nắp.
- Ngăn đá tủ lạnh gia đình, thường để khoảng −18 °C.
- Một cái bát có vài viên đá, một chiếc khăn.
Cách làm
- Lau khô chai, đặt nằm hoặc đứng thật nhẹ nhàng trong ngăn đá, chỗ không bị va chạm khi mở cửa tủ.
- Đợi khoảng 1 giờ 45 phút đến 2 giờ 30 phút. Thời gian tuỳ tủ và cỡ chai, nên lần đầu hãy cho vào 3–4 chai và kiểm tra mỗi 15 phút sau mốc 1 giờ 30. Chai nào đã có đá thì bỏ qua; chai nào vẫn trong suốt là ứng viên.
- Lấy chai ra thật nhẹ, cầm phần cổ chai, không lắc.
- Cách 1: đập dứt khoát đáy chai xuống mặt bàn có lót khăn. Trong vài giây, bạn sẽ thấy những sợi băng trắng mọc lan từ dưới lên khắp chai.
- Cách 2: mở nắp từ từ, rót chậm dòng nước lên một viên đá trong bát. Nước đóng băng ngay khi chạm đá, chồng thành một cột băng mọc lên theo dòng rót.
Khi không thành công
| Hiện tượng | Nguyên nhân thường gặp | Cách chỉnh |
|---|---|---|
| Chai đã đóng đá cứng trong tủ | Để quá lâu, hoặc tủ quá lạnh, hoặc chai bị rung | Rút ngắn thời gian 15–20 phút, đặt chai ở chỗ yên hơn |
| Gõ mà không có gì xảy ra | Nước chưa đủ lạnh, mới khoảng 0 đến −2 °C | Để thêm 15 phút rồi thử chai khác |
| Đóng băng ngay lúc lấy ra | Lắc hoặc va chạm khi cầm | Cầm ở cổ chai, di chuyển chậm |
| Nước máy đổ vào chai không bao giờ siêu lạnh | Nhiều cặn, bọt khí, chai đã qua sử dụng có vết xước | Dùng nước tinh khiết chai mới, chưa mở |
"Đóng băng tức thì" thật ra chỉ đóng một phần
Nhìn chai nước trắng xoá trong vài giây, nhiều người tưởng cả chai đã thành đá. Bóp thử sẽ thấy nó mềm, sệt như nước đá bào. Lý do nằm ở một con số đơn giản.
Khi nước đóng băng, nó toả ra nhiệt, gọi là ẩn nhiệt đông đặc: khoảng 334 jun cho mỗi gam nước thành đá. Lượng nhiệt ấy làm phần nước còn lại ấm lên. Quá trình dừng lại khi cả chai về đúng 0 °C, vì lúc đó không còn "phần lạnh dư" để tiêu thụ nhiệt nữa.
Làm ước tính: mỗi gam nước lạnh hơn 0 °C một độ thì "nợ" khoảng 4,2 jun. Nước ở −8 °C nợ khoảng 33 jun mỗi gam. Chia cho 334, ra khoảng 10%. Nghĩa là chỉ khoảng một phần mười lượng nước trong chai kịp đóng băng ngay; phần còn lại là nước ở 0 °C lẫn trong mạng tinh thể mảnh. Cứ lạnh thêm một độ thì có thêm khoảng 1,25% nước đóng băng tức thì. Muốn chai đá hoàn toàn, vẫn phải bỏ lại vào tủ cho nó mất nhiệt từ từ như thường.
Đây cũng là một cách đo nhiệt độ thô: nếu đập chai mà chỉ thấy vài sợi băng lơ thơ, nước mới siêu lạnh chút ít; nếu chai đục đặc, nước đã xuống khá sâu dưới 0 °C.
Nước siêu lạnh trong tự nhiên
Thứ ta làm trong tủ lạnh diễn ra hằng ngày trên bầu trời. Nhiều đám mây ở độ cao mà nhiệt độ xuống dưới 0 °C vẫn chứa phần lớn là giọt nước lỏng siêu lạnh, vì không khí trên cao thiếu hạt bụi phù hợp làm mầm băng. Khi những giọt này chạm vào một bề mặt lạnh, chúng đóng băng ngay tại chỗ.
- Mưa băng: ở xứ lạnh, mưa siêu lạnh rơi xuống đường, dây điện, cành cây và đóng thành lớp băng trong suốt ngay khi chạm vào. Đó là một trong những kiểu thời tiết gây tai nạn và đứt dây điện nhiều nhất.
- Băng bám cành cây trên núi cao: trong các đợt rét đậm ở vùng núi cao miền Bắc, một phần lớp băng trắng bám cành cây, cỏ là do sương mù gồm những giọt nước siêu lạnh đóng băng khi gió thổi chúng chạm vào vật.
- Đóng băng trên cánh máy bay: bay qua mây chứa giọt siêu lạnh, băng có thể bám lên cánh. Máy bay có hệ thống chống và phá băng chính vì hiện tượng này.
Họ hàng của nước siêu lạnh: túi sưởi tay bấm là nóng
Ở các nước lạnh có loại túi sưởi tay chứa chất lỏng trong suốt và một miếng kim loại nhỏ. Bẻ miếng kim loại, chất lỏng kết tinh lan khắp túi trong vài giây và túi nóng lên tới khoảng 50 °C. Bên trong là dung dịch natri axetat quá bão hoà: chứa nhiều chất tan hơn mức bình thường, lẽ ra phải kết tinh nhưng chưa có mầm. Cú bẻ kim loại tạo ra mầm. Tinh thể lan ra đúng như băng lan trong chai nước siêu lạnh, và cũng toả ra ẩn nhiệt; chỉ khác là ở đây ta tận dụng nhiệt đó để sưởi tay. Đun túi trong nồi nước sôi cho tinh thể tan hết là dùng lại được. Còn việc tự pha dung dịch này là một phản ứng hoá học, nên để trong phòng thí nghiệm có người hướng dẫn.
Góc nhìn hôm nay
Thí nghiệm chai nước siêu lạnh là một trong số ít thí nghiệm vật lý vừa an toàn, vừa rẻ, vừa cho cảm giác "ảo thuật" thật sự. Nó dạy hai ý lớn mà sách giáo khoa hay bỏ qua: chuyển thể cần một điểm khởi đầu, và khi chuyển thể thì có trao đổi nhiệt. Muốn đi xa hơn, bạn có thể ghi lại thời gian để chai trong tủ và mức độ đục khi đập, vẽ một biểu đồ nhỏ; hoặc tìm đọc về "hạt nhân ngưng tụ băng" trong các tài liệu khí tượng phổ thông để hiểu vì sao người ta từng thử rắc bột bạc iođua lên mây để tạo mưa.
Câu hỏi thường gặp
Nước siêu lạnh là gì?
Là nước đã lạnh xuống dưới 0 °C nhưng vẫn ở thể lỏng vì chưa có mầm để tinh thể băng bắt đầu hình thành. Khi có mầm như cú va đập, hạt bụi hay viên đá, nó đóng băng rất nhanh.
Làm sao để nước đóng băng ngay khi lấy ra khỏi tủ lạnh?
Để chai nước tinh khiết chưa mở nắp trong ngăn đá khoảng 2 giờ, không để chai bị rung. Lấy ra nhẹ nhàng rồi đập đáy chai xuống bàn hoặc rót nước lên viên đá, băng sẽ lan ra trong vài giây.
Vì sao chai nước siêu lạnh đóng băng mà vẫn mềm?
Vì khi đóng băng nước toả nhiệt, làm phần còn lại ấm lên tới 0 °C và quá trình dừng. Nước ở khoảng −8 °C chỉ kịp đóng băng khoảng 10%, phần còn lại vẫn là nước lẫn trong các sợi băng.
Nước có thể lạnh tới bao nhiêu độ mà không đóng băng?
Trong chai ở nhà thường được khoảng −5 đến −10 °C. Trong phòng thí nghiệm, những giọt nước cực nhỏ và sạch có thể giữ thể lỏng tới khoảng −38 đến −40 °C.
Uống nước siêu lạnh có sao không?
Không có gì đặc biệt, nó chỉ là nước lạnh. Khi chạm vào lưỡi hoặc cốc, nó có thể đóng thành đá bào ngay. Nên uống từ từ như uống nước đá thông thường.
