01.Tại sao không khí ở 15ºC khiến chúng ta cảm thấy khá dễ chịu, nhưng nước ở 15ºC lại lạnh cóng?
Vào mùa đông, khi chạm tay vào nước chúng ta sẽ thấy lạnh hơn không khí bên ngoài rất nhiều. Tại sao cùng một nhiệt độ lại cho ra cảm giác khác nhau đến vậy? Hóa ra cảm nhận nóng lạnh của con người không phải phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường (dù nhiệt độ môi trường có tác động gián tiếp) mà nó phụ thuộc vào tốc độ trao đổi nhiệt giữa cơ thể và môi trường.
Như chúng ta đã biết, nhiệt lượng luôn truyền từ đối tượng có nhiệt độ cao hơn sang đối tượng có nhiệt độ thấp hơn. Do đó, miễn là nhiệt độ môi trường xung quanh (không khí, nước…) thấp hơn nhiệt độ cơ thể thì bạn sẽ thoát nhiệt ra môi trường (và ngược lại nếu nhiệt độ môi trường cao hơn thì cơ thể bạn sẽ hấp thu nhiệt từ môi trường).
Tốc độ trao đổi nhiệt của cơ thể bạn phụ thuộc vào chất lượng của chất dẫn. Giống như một chiếc thìa kim loại trong một cốc nước nóng sẽ hấp thu nhiệt nhanh hơn một chiếc thìa nhựa, nước hấp thu nhiều nhiệt hơn so với không khí bởi vì nước là chất dẫn nhiệt tốt hơn. Nhiệt thoát ra trong môi trường nước sẽ nhanh hơn trong môi trường không khí, do đó miễn là nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ cơ thể bạn, bạn sẽ thấy nước lạnh hơn không khí rất nhiều dù chúng có cùng nhiệt độ. Đơn giản là vì con người cảm nhận nóng lạnh thông qua cơ chế đo lường tốc độ trao đổi nhiệt chứ không phải đo lường nhiệt độ thật sự của đối tượng tiếp xúc.
Để hiểu rõ hơn điều này, chúng ta xét 2 thí nghiệm đơn giản sau:
- Thí nghiệm 1: Tại nhiệt độ phòng (25ºC), sờ tay vào một khối sắt sẽ thấy lạnh hơn so với sờ tay vào một quyển sách. Lý do là vì khả năng dẫn nhiệt của sắt cao hơn giấy rất nhiều cho nên ở cùng nhiệt độ 25ºC, tốc độ thoát nhiệt của cơ thể khi tiếp xúc với sắt cao hơn tốc độ thoát nhiệt khi tiếp xúc với giấy. Tóm lại: cùng nhiệt độ, khác chất dẫn, tốc độ trao đổi nhiệt khác nhau gây ra cảm nhận nóng lạnh khác nhau.
- Thí nghiệm 2: Sờ tay vào một khối sắt ở nhiệt độ 0ºC sẽ cảm thấy lạnh hơn so với sờ tay vào chính khối sắt đó ở 25ºC. Đó là bởi vì cùng một vật liệu, nhiệt độ càng chênh lệch so với nhiệt độ cơ thể thì tốc độ trao đổi nhiệt của cơ thể khi tiếp xúc với nó càng cao. Tóm lại: cùng chất dẫn, khác nhiệt độ, tốc độ trao đổi nhiệt khác nhau gây ra cảm nhận nóng lạnh khác nhau.
Từ 2 ví dụ trên chúng ta có thể thấy rõ: đo lường tốc độ trao đổi nhiệt giữa cơ thể và môi trường tiếp xúc mới là cơ chế trực tiếp của sự cảm nhận nóng lạnh. Còn nhiệt độ môi trường và chất liệu môi trường chỉ là 2 yếu tố có tác động gián tiếp.
02.Trí óc con người hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ mát:
Một nghiên cứu vào năm 2012 của hai nhà khoa học Amar Cheema thuộc Đại học Virginia và Vanessa M. Patrick thuộc Đại học Houston – Hoa Kỳ đăng trên Journal of Marketing Research (Vol. 49, No. 6, pp. 984-995) đã cho thấy nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến năng lực tư duy và ra quyết định của con người.
Hai nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu bán hàng cho các loại hình trò chơi xổ số ở St. Louis County trong cả năm, sau đó tìm kiếm sự khác biệt về mô hình bán hàng theo sự thay đổi của nhiệt độ mỗi ngày. Kết quả thật ấn tượng! Vé số cào – đòi hỏi người mua phải ra suy xét giữa nhiều lựa chọn khác nhau, đã giảm 594 USD doanh số bán hàng mỗi khi nhiệt độ môi trường tăng thêm 1ºF. Trong khi đó vé số Loto – đòi hỏi ít quyết định hơn từ người mua, không bị ảnh hưởng.
Trong một thí nghiệm khác, những người tham gia được yêu cầu kiểm tra các văn bản trong một căn phòng ấm 77°F (25°C) và một căn phòng mát 67°F (19,4°C). Những người tham gia trong phòng ấm đã cho kết quả tồi tệ hơn, bỏ sót hơn một nửa các lỗi ngữ pháp và chính tả. Trong khi đó những người thực hiện kiểm tra trong phòng mát chỉ bỏ sót chưa tới 1/4 các lỗi. Kết quả này cho thấy ngay cả những công việc nhận thức đơn giản cũng có thể bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ môi trường xung quanh.
Trong một thử nghiệm tiếp theo, các nhà nhiên cứu đã thấy rằng hiệu ứng tương tự cũng xảy ra với những hành vi suy nghĩ phức tạp hơn. Trong nghiên cứu này, những người tham gia phải lựa chọn giữa 1 trong 2 kế hoạch mua sắm. Một kế hoạch trông có vẻ hấp dẫn ở bề ngoài, nhưng thật sự đắt đỏ hơn kế hoạch còn lại. Các mô hình ra quyết định đơn giản sẽ dẫn người ta tới việc lựa chọn kế hoạch đắt tiền hơn, trong khi đó các phân tích phức tạp sẽ dẫn tới việc lựa chọn kế hoạch đúng đắn tiết kiệm hơn. Hơn một nửa số người trong phòng mát đã lựa chọn đúng, trong khi chỉ một số ít người trong phòng ấm đưa ra quyết định chính xác.
Giải thích những kết quả này, hai nhà khoa học cho rằng nguyên nhân chủ yếu là do ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình tiêu thụ đường glucose của não bộ.
Khi trời nóng, cơ thể con người sẽ phải mất nhiều năng lượng hơn để làm mát so với việc làm ấm cơ thể khi trời lạnh. Trong khi đấy, năng lượng của cơ thể người xuất phát từ chính chất đường trong cơ thể. Đây cũng là chất cần thiết cho quá trình vận động ý thức của não bộ.
Kiểm tra quá trình tiêu thụ chất đường glucose trong nhóm người tham gia thí nghiệm ở hai phòng nóng và lạnh với mức nhiệt độ khác nhau, hai nhà nghiên cứu phát hiện ra, những lựa chọn đòi hỏi nhận thức phức tạp đối với người tham gia phòng nóng nhanh chóng bị sai lệch hơn do bị cạn kiện đáng kể glucose so với người ở trong phòng lạnh. Chính điều đó đã làm suy yếu chức năng nhận thức của họ. Trái lại khi cơ thể phải mất ít năng lượng khi ở phòng mát sẽ giúp lượng đường có sẵn cho não dồi dào hơn giúp não bộ thực hiện chức năng nhận thức tốt hơn.
03.Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Nhưng vì sao?
Đôi khi, nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Aristotle, Descartes, và Francis Bacon đều đã từng phát hiện ra và mô tả hiện tượng kỳ lạ này. Tuy nhiên trong một thời gian dài, nó vẫn không thu được sự quan tâm chú ý của giới khoa học hiện đại. Mãi cho đến khi một học viên 13 tuổi của một lớp nấu ăn tên là Erasto B. Mpemba phát hiện ra điều đó trong khi làm kem. Vì vội vã cho kem vào tủ lạnh trước khi các học viên khác chiếm chỗ, Mpemba đã quyết định cho hỗn hợp sữa nóng vào tủ lạnh mà không chờ nó nguội. Điều đáng ngạc nhiên, kem của cậu ta lại đông trước kem của các học viên khác. Nhiều năm sau, Mpemba tham dự một bài giảng của giáo sư vật lý Denis Osborne và đã đứng lên đặt câu hỏi về hiện tượng phản trực giác này. Ngạc nhiên trước câu hỏi, giáo sư Osborne đã để cho các kỹ thuật viên phòng thí nghiệm thực hiện lại quá trình này và thấy rằng quả thật là nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Osborne đã xuất bản một bài báo về hiện tượng này vào năm 1969 và đặt tên nó là hiện tượng Mpemba.
Trong nhiều thập kỷ sau đó, các nhà khoa học vẫn còn phải vật lộn để giải thích cơ chế đứng đằng sau hiện tượng Mpemba. Hiện tượng này không phải lúc nào cũng xảy ra, làm cho các nghiên cứu và nỗ lực giải thích trở nên khó khăn.
Hồi năm 2012, Cộng đồng Hóa học Hoàng Gia Anh đã tổ chức một cuộc thi lớn, đưa ra yêu cầu giải thích hiện tượng vật lý này. Hơn 22.000 kết quả nghiên cứu được các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới gửi về, nhưng không một lời giải thích nào có đủ sức thuyết phục cả.
Giả thuyết được nêu ra và được chấp nhận rộng rãi nhất đó là nước nóng bốc hơi nhanh hơn, mất khối nhanh hơn và ví thế cần ít nhiệt để đóng băng hơn. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng đã tái hiện được hiệu ứng Mpemba trong một lồng chứa kín, nơi không thể diễn ra hiện tượng bay hơi.
Một giả thuyết khác cho rằng nước tạo ra một dòng đối lưu và một gradient nhiệt độ riêng khi nó nguội đi tới điểm đóng băng.
Một cốc nước nóng giảm nhiệt độ nhanh sẽ có một sự chênh lệch nhiệt độ cao hơn hẳn trong suốt quá trình nguội đi của nó, và bề mặt cốc nước sẽ mất nhiệt nhanh hơn, trong khi đó một cốc nước lạnh có ít chênh lệch nhiệt độ hơn, vì thế nó sẽ có ít dòng đối lưu hơn để đẩy nhanh được tốc độ làm lạnh.
Nhưng ý kiến này cũng chưa được công nhận chính thức.
Nghiên cứu và các liên kết trong phân tử nước gần đây có vẻ như đã tìm ra lời giải cho hiện tượng khoa học hóc búa này.
“Khi nước được đun nóng, những liên kết yếu sẽ bị bẻ gãy, những nhóm phân tử tự do sẽ kết hợp lại thành cấu trúc băng khi nhiệt độ giảm xuống, chính chúng là bước chuẩn bị cho quá trình nước đóng băng”, nhà nghiên cứu Emily Conover nói.
“Đối với nước lạnh, để có thể biến thành băng, những liên kết hydro yếu sẽ phải bị bẻ gãy trước”. Đó là điều mà nước nóng đã làm được sẵn rồi, vì vậy có thể giải thích được tại sao nước nóng lại đóng băng nhanh hơn.