Chuyên gia kiểm toán: Meng Meng
Nghiên cứu viên liên kết, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Ảo thuật luôn mang đến cho con người sự bí ẩn vô tận, đặc biệt là ảo thuật đường phố, thậm chí có thể biểu diễn mà không cần bất kỳ đạo cụ nào, chẳng hạn như làm cho một cốc nước đóng băng ngay lập tức.
Nguồn: Xem hình mờ
Nhiều người đã chứng kiến màn ảo thuật làm nước đóng băng ngay lập tức, và mọi người đều rất tò mò về cách mà ảo thuật gia thực hiện điều đó và bí quyết là gì. Hãy cùng tìm hiểu ngay hôm nay nhé!
Trên thực tế, không khó để làm nước đóng băng ngay lập tức. Tất cả những gì bạn cần là một cốc nước siêu lạnh. Vậy nước siêu lạnh là gì?
1
Nước siêu lạnh là gì?
Trong quá trình ngưng tụ, khi nhiệt độ hạ xuống, trong nước thiếu các hạt khí dung rắn, lỏng, khí đóng vai trò là lõi ngưng tụ, tức là thiếu hạt nhân ngưng tụ, hoặc do một số lý do khác mà nước vẫn ở trạng thái lỏng dưới 0°C được gọi là nước siêu lạnh. Nhiệt độ của nước quá lạnh thấp hơn nhiệt độ bão hòa (nhiệt độ khi chất lỏng và hơi ở trạng thái cân bằng động), nhiệt độ của nước bão hòa, hơi nước bão hòa ướt và hơi nước bão hòa khô bằng nhiệt độ bão hòa, và nhiệt độ của hơi nước quá nhiệt cao hơn nhiệt độ bão hòa.
Khác với khái niệm trên, trong nhiệt động lực học kỹ thuật, khi nhiệt độ nước thấp hơn nhiệt độ bão hòa (0°C ở áp suất bình thường) thì gọi là nước siêu lạnh.
Nguồn: Bách khoa toàn thư Baidu
2
Nước siêu lạnh không đóng băng?
Sự mất cân bằng giữa quá trình ngưng tụ và bốc hơi nước có thể kéo dài trong một thời gian dài. Điều kiện cần thiết để nước đóng băng thành đá là phải có chất lỏng ngưng tụ và chất lỏng đó phải đủ tinh khiết. Chỉ cần đáp ứng đủ các điều kiện, nước sẽ kết tinh và trở thành đá nổi trong nước, hoặc có thể ngưng tụ trên thành bình chứa. Nhưng nếu không có những điều kiện này, nước ở dạng lỏng sẽ không đóng băng và sẽ duy trì nhiệt độ dưới mức đóng băng trong một thời gian dài. Nếu một hạt nhân ngưng tụ đột nhiên xâm nhập vào thời điểm này, nó sẽ đóng băng ngay lập tức. Tuy nhiên, vì trong nước không có hạt nhân ngưng tụ và thời gian cũng như nhiệt độ không đáp ứng được yêu cầu nên nước có thể duy trì ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ dưới 0℃.
Nước siêu lạnh thực chất là nước lỏng quá tinh khiết và không có "nhân tinh thể" khi đông đặc. Nếu bạn thêm một lượng nhỏ chất rắn hoặc lắc chất lỏng, nó sẽ đông lại nhanh chóng.
Tại sao nước lại đóng băng? Bởi vì tạp chất trong nước có thể gây ra hiện tượng kết tinh. Nước siêu lạnh rất không ổn định, vì vậy nếu bạn lắc nước siêu lạnh, nhiệt độ sẽ tăng lên và nước siêu lạnh sẽ đóng băng!
3
Nước không đóng băng dưới 0 độ có nghĩa là nước siêu lạnh không?
Sau khi hiểu sơ qua về nước siêu lạnh, nhiều người sẽ nghĩ rằng miễn là nước không đóng băng khi để ở nhiệt độ dưới 0 độ thì đó là nước làm mát. Nhưng thực tế có phải như vậy không?
Thực tế không phải vậy, ít nhất thì nước tinh khiết là một phản ví dụ, và lý do tại sao hai thứ này không đóng băng ở nhiệt độ dưới 0 độ C lại hoàn toàn khác nhau!
Khi nhiệt độ của nước tinh khiết dưới 0 độ, trạng thái chuyển động của các phân tử nước là các phân tử nước di chuyển hoàn toàn. Hai phân tử nước chỉ có thể tạo ra một liên kết hydro khi chúng ở gần nhau hoặc va chạm với nhau. Nhưng ngay sau đó, động lượng của hai phân tử nước sẽ tác động lên liên kết hydro. Ở 0℃ hoặc -40℃, năng lượng của một liên kết hydro không bằng động năng của hai phân tử nước, do đó nước vẫn ở trạng thái lỏng.
Trong quá trình kết tinh của nước siêu lạnh, nhiệt độ kết tinh thực tế cần thiết thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết. Dưới một áp suất nhất định, khi nhiệt độ của chất lỏng thấp hơn điểm đông đặc của chất lỏng dưới áp suất, chất lỏng không đông đặc và ở trạng thái không ổn định về mặt nhiệt động lực học. Tuy nhiên, dưới tác động của nhiều yếu tố bên ngoài, nó có thể đông đặc nhanh chóng, khiến nhiệt độ tăng cao.
Ngoài ra, độ tinh khiết của chất lỏng cũng là một yếu tố rất quan trọng, quyết định mức độ quá nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nước có độ tinh khiết cao bắt đầu đóng băng ở nhiệt độ -40°C. Nguyên nhân là do chất lỏng quá tinh khiết và không có đủ hạt nhân tinh thể để đông đặc. Do đó, khi nước phải đóng băng, nó cần phải vượt qua được “sức cản” của giao diện nước đá trong giai đoạn hình thành nhân, điều này không thể diễn ra một cách tự phát. Hạt nhân ngưng tụ cần đạt đến kích thước nhất định trước khi có thể biến thành băng.
4
Hạt nhân ngưng tụ của nước siêu lạnh
Các hạt nhân ngưng tụ của nước siêu lạnh sẽ có ngưỡng trong giai đoạn hình thành. Khi đi qua nó, nước siêu lạnh sẽ đóng băng ngay lập tức; nếu không thể vượt qua ngưỡng, nó sẽ không đóng băng; khi nhiệt độ bằng đúng điểm đóng băng thì nó sẽ không đóng băng vì không thể vượt quá ngưỡng.
Khi nhiệt độ xuống dưới mức đóng băng, những thay đổi nhiệt độ cục bộ sẽ xảy ra, dẫn đến sự hình thành hạt nhân cục bộ. Nếu hạt nhân tinh thể hình thành đến một kích thước nhất định, bạn không cần phải lo lắng về phần còn lại, nó có thể tự động phát triển và đông cứng nhanh chóng. Tuy nhiên, nếu các hạt nhân tinh thể được tạo ra bởi những thay đổi này quá nhỏ và không vượt quá ngưỡng đóng băng thì các hạt nhân tinh thể sẽ tự động tan chảy và không có băng nào hình thành. Ngoài ra, điều quan trọng là phải hiểu rằng nhiệt độ càng cao thì ngưỡng càng cao và càng khó tạo ra đủ số lượng hạt nhân nguyên tử và nuôi cấy chúng.
Lý do tại sao nước siêu lạnh xuất hiện chủ yếu là vì nhiệt độ càng thấp thì ngưỡng càng thấp và càng dễ tạo ra hạt nhân nguyên tử hiệu quả. Sau khi nhân tinh thể được hình thành, các phân tử nước còn lại bám vào nhân và phát triển nhanh chóng. Đây là lý do tại sao nước siêu lạnh đột nhiên đóng băng. Trên thực tế, đối với nước siêu lạnh, sự hình thành của các hạt tinh thể phụ thuộc vào sự dao động, do đó dòng nước chảy không đều thực sự có lợi cho sự phát triển của các hạt tinh thể.
Vậy tại sao nước lạnh lại đóng băng ngay lập tức? Điều này là do giao diện nước đá bị thu hẹp đáng kể và ngưỡng cũng giảm đáng kể. Nước siêu lạnh ở trạng thái bán ổn định, do đó, lắc cốc và chèn một thanh thủy tinh vào sẽ khiến cốc đóng băng ngay lập tức và đá sẽ hình thành nhanh chóng!
5
Thu được nước siêu lạnh
Cho nước đã lọc vào ngăn đá của tủ lạnh và đông lạnh ở nhiệt độ -24°C. Lúc này, nhiệt độ của nước thấp hơn nhiệt độ đóng băng là 0 độ, nhưng nước sẽ không đóng băng và kết quả là nước siêu lạnh. Tiếp theo, hãy đảm bảo nhẹ nhàng lấy nước đã quá lạnh ra khỏi tủ lạnh. Sau đó, nếu bạn gõ nhẹ hoặc lắc chai, bạn sẽ thấy chai nước trong suốt ngay lập tức biến thành những viên đá trong mờ, và nước trong chai cũng nhanh chóng đóng băng. Bởi vì cái gọi là nước tinh khiết không thể hoàn toàn tinh khiết, nghĩa là bên trong nước có rất ít hạt nhân ngưng tụ. Nếu nhiệt độ tiếp tục giảm, nó sẽ đóng băng.
Tất nhiên, bạn cũng có thể để thế giới bên ngoài can thiệp vào nó và việc lắc nó sẽ khiến nó đóng băng. Điều này là do hạt nhân tinh thể phụ thuộc vào sự dao động, đó là lý do tại sao bạn phải rất cẩn thận khi lấy bình nước ra khỏi tủ lạnh. Ngoài ra, bạn có thể cẩn thận đổ đầy nước siêu lạnh vào một cốc sạch, sau đó cho vào một cục đá nhỏ và xem nước đông lại nhanh chóng xung quanh cục đá.
Nguồn: Internet
Nếu bạn muốn thực hiện thí nghiệm này ở nhà, bạn phải nắm rõ nhiệt độ của tủ lạnh và thời gian đông lạnh. Đổ nước sôi vào bình và để trong tủ lạnh từ hai đến ba giờ. Nhớ kiểm soát nhiệt độ và thời gian. Nếu không dễ kiểm soát nhiệt độ, bạn có thể bọc bình bằng khăn hoặc hộp cách nhiệt, cắm nhiệt kế vào giữa bình và lấy ra khi nhiệt độ đạt 0. Cẩn thận không được lắc bình. Khi bạn đổ nước ra, bạn sẽ thấy nước đóng băng ngay lập tức, hãy thử xem!
Nguồn: Trung tâm khoa học kỹ thuật số Bắc Kinh
