Phích nước giữ nóng thế nào: bình Dewar, chân không và lớp tráng bạc

Phích nước giữ nóng vì ruột phích là một bình Dewar: hai lớp thuỷ tinh lồng nhau, khoảng giữa được hút gần hết không khí để cắt đường dẫn nhiệt và đối lưu, mặt thuỷ tinh tráng bạc để hắt ngược tia hồng ngoại, còn nút phích chặn hơi nóng thoát qua miệng. Ba con đường truyền nhiệt đều bị chặn cùng lúc, nên nước sôi rót buổi tối sáng hôm sau vẫn đủ nóng pha trà. Cũng chiếc phích ấy giữ được nước đá lâu tan, vì nó không "sinh nóng" mà chỉ ngăn nhiệt đi qua theo cả hai chiều.

Cái bình biết giữ cả nóng lẫn lạnh

Chiếc phích là đồ vật quá quen trong nhà Việt, đến mức ít ai thắc mắc. Nhưng thử nghĩ lại: một ấm nước sôi để trên bàn chỉ sau một hai giờ đã nguội, trong khi nước ấy rót vào phích thì qua đêm vẫn bốc khói. Lạ hơn, bỏ đá vào phích thì đá lâu tan hơn hẳn để ngoài. Trẻ con hay thắc mắc làm sao cái phích "biết" lúc nào phải giữ nóng, lúc nào phải giữ lạnh. Câu trả lời là nó không cần biết gì cả.

Nhiệt luôn tự đi từ chỗ nóng sang chỗ lạnh. Giữ nóng hay giữ lạnh thực chất là một việc: làm cho nhiệt khó đi qua thành bình. Phích không có bộ phận đun hay làm lạnh nào. Nó chỉ là một cái bẫy chặn đường đi của nhiệt, được thiết kế rất kỹ.

Từ phòng thí nghiệm khí hoá lỏng vào gian bếp

Bình chân không hai lớp được nhà khoa học người Scotland James Dewar chế tạo vào năm 1892 tại Viện Hoàng gia ở London. Dewar nghiên cứu hoá lỏng các chất khí ở nhiệt độ cực thấp, và ông cần một vật chứa để oxy lỏng, rồi hydro lỏng, không sôi hết trong vài phút. Ông không đăng ký sáng chế. Đến năm 1904, một công ty ở Berlin, Đức, đưa bình chân không ra thị trường gia dụng với cái tên Thermos, gốc từ chữ Hy Lạp nghĩa là "nóng". Ngày nay, trong phòng thí nghiệm người ta vẫn gọi các bình chứa nitơ lỏng là bình Dewar, còn ở nhà ta gọi thân mật là cái phích. Ở Việt Nam, phích Rạng Đông sản xuất tại Hà Nội đã quen mặt trong rất nhiều gia đình suốt mấy chục năm.

Ba đường nhiệt thoát ra và ba cách chặn

Dẫn nhiệt: chân không cắt đứt đường đi

Dẫn nhiệt là nhiệt truyền qua va chạm giữa các phân tử: phân tử nóng rung mạnh hơn, va vào hàng xóm và truyền năng lượng sang. Muốn dẫn nhiệt phải có vật chất. Trong khoảng giữa hai lớp thuỷ tinh của ruột phích, không khí bị hút ra gần hết. Còn ít phân tử thì ít va chạm, nhiệt gần như không có đường "bò" từ lớp trong ra lớp ngoài.

Chân không ấy không cần hoàn hảo. Chỉ cần loãng đến mức một phân tử khí bay từ thành này sang thành kia mà hiếm khi đụng phân tử khác. Với khe chỉ vài milimet, áp suất cỡ một phần trăm nghìn áp suất khí quyển hoặc thấp hơn là đã đạt điều đó; từ đây, áp suất càng thấp thì lượng nhiệt khí dẫn được càng giảm theo tỉ lệ.

Đối lưu: không có khí thì không có dòng khí

Đối lưu là nhiệt đi theo dòng chất lưu chuyển động: không khí sát thành nóng bốc lên, không khí lạnh chảy vào thế chỗ. Lớp chân không cũng cắt luôn đường này, vì không còn khí để chảy. Ở miệng phích, nút bấc hoặc nút nhựa xốp chặn dòng hơi nóng bốc ra ngoài, đồng thời chặn bay hơi, vốn mang đi rất nhiều nhiệt.

Bức xạ: lớp bạc như tấm gương hồng ngoại

Mọi vật đều phát bức xạ nhiệt, chủ yếu là tia hồng ngoại không nhìn thấy, và bức xạ đi được cả qua chân không, như nắng Mặt Trời đi qua vũ trụ. Để chặn đường này, hai mặt thuỷ tinh quay vào khoảng chân không được tráng một lớp bạc mỏng. Kim loại sáng bóng vừa phản xạ phần lớn tia hồng ngoại chiếu tới, vừa phát xạ kém hơn thuỷ tinh trần hàng chục lần. Đó là lý do ruột phích sáng loáng như gương.

Nhìn bảng sẽ thấy điểm yếu lớn nhất của phích nằm ở miệng: cổ ruột là cây cầu thuỷ tinh duy nhất nối lớp trong với lớp ngoài, và nút phích là vật dày nhưng không có chân không. Vì vậy cổ phích được làm hẹp, và phích để đầy, ít mở thì giữ nóng lâu hơn hẳn phích vơi, mở luôn tay.

Cái núm nhỏ dưới đáy ruột phích

Nếu từng thấy một ruột phích tháo rời, bạn sẽ để ý dưới đáy có một cái núm thuỷ tinh nhỏ. Đó là chỗ người ta hút không khí ra rồi hàn kín. Núm này là điểm mỏng manh nhất: chỉ cần mẻ một chút, không khí tràn vào khoảng giữa, ruột phích mất chân không và giữ nóng không hơn một cái chai là mấy. Vì thế vỏ phích luôn có đệm cao su hoặc nhựa đỡ quanh đáy để bảo vệ núm.

Cách kiểm tra ruột còn tốt: rót nước sôi vào, đậy nút, đợi vài phút rồi sờ thân vỏ phích. Ruột tốt thì vỏ gần như không ấm lên. Vỏ nóng rõ, nhất là ở phần ứng với thân ruột, là dấu hiệu chân không đã hỏng, nên thay ruột.

Vì sao nút phích tự bật ra "bụp"

Đây là cảnh nhiều người từng giật mình: vừa rót nước sôi vào phích, đậy nút lại, vài giây sau nút bật tung. Thủ phạm là khoảng không khí nằm giữa mặt nước và nút. Lúc đậy, khoảng khí ấy còn tương đối nguội. Bị nhốt kín trên mặt nước sôi, nó nóng lên và giãn nở, đồng thời nước bay hơi vào đó làm lượng hơi nước tăng thêm. Áp suất bên trong vượt hẳn áp suất bên ngoài và đẩy nút bật ra.

Chiều ngược lại cũng xảy ra: để phích đến khi nước nguội bớt, khí và hơi bên trong co lại, áp suất trong phích thấp hơn bên ngoài, và nút bị "hút" chặt, rút ra nghe đánh "pốc".

Cách tránh nút bật: rót nước gần đầy tới cổ để khoảng khí còn lại thật nhỏ, đợi vài giây cho khoảng khí ấy nóng lên và hơi nước thoát bớt rồi mới đậy. Đừng nhét nút thật mạnh ngay sau khi rót.

An toàn với phích nước sôi

Phích nước đổ là một nguyên nhân gây bỏng hay gặp ở trẻ nhỏ. Vài thói quen nên giữ:

• Đặt phích ở chỗ cao, xa mép bàn, xa tầm với của trẻ; không để dây khăn trải bàn thõng xuống cho trẻ kéo.
• Rót phích ở chỗ vững, không vừa bế trẻ vừa rót nước.
• Ruột phích mới hoặc ruột lạnh nên tráng nước ấm trước khi rót nước sôi để tránh sốc nhiệt. Ruột phích vỡ có thể co sập vào trong vì chân không, thuỷ tinh mỏng văng ra; dọn mảnh vỡ cẩn thận bằng găng tay.
• Nếu bị bỏng nước sôi: xả nước mát sạch lên vùng bỏng 15–20 phút, tháo nhẫn, đồng hồ quanh vùng bỏng, che bằng gạc sạch. Không bôi kem đánh răng, nước mắm, mỡ trăn hay đá lạnh trực tiếp. Bỏng rộng, bỏng ở trẻ nhỏ hay ở mặt cần đưa đi khám.

Tự làm thử: cuộc thi giữ nóng của bốn cái bình

Bạn cần bốn vật chứa cỡ tương đương: một cốc thuỷ tinh trần, một cốc thuỷ tinh quấn khăn bông, một cốc quấn giấy bạc nhôm, và một cái phích. Thêm một nhiệt kế nấu ăn. Để an toàn, dùng nước khoảng 70 °C (pha nước sôi với nước nguội, người lớn làm).

1. Rót cùng lượng nước vào cả bốn, đậy các cốc bằng đĩa nhỏ, đậy phích bằng nút.
2. Đo nhiệt độ mỗi 15 phút trong hai giờ, ghi bảng.
3. Lặp lại với nước đá: bỏ cùng số viên đá vào mỗi bình, ghi thời gian đá tan hết.

Thường thì cốc trần thua nhanh nhất. Khăn bông chặn được đối lưu nhờ giữ lớp không khí đứng yên trong sợi vải. Giấy bạc giảm được bức xạ, nhưng quấn sát cốc thì gần như không tạo lớp khí đứng yên để chặn dẫn nhiệt và đối lưu, nên hiệu quả hạn chế. Phích thắng xa vì chặn được cả ba đường. Kết quả với nước đá cho cùng thứ tự, minh chứng rằng phích chặn nhiệt theo cả hai chiều.

Góc nhìn hôm nay: bình Dewar ở khắp nơi

Nguyên lý chiếc phích có mặt ở những nơi không ngờ. Bình giữ nhiệt bằng thép không gỉ ngày nay cũng là bình hai lớp hút chân không; thép dẫn nhiệt tốt hơn thuỷ tinh nhưng bền, không vỡ, nhiều loại phủ thêm lớp kim loại phản xạ. Bình chứa nitơ lỏng ở bệnh viện, phòng thí nghiệm, trạm thụ tinh nhân tạo đều là bình Dewar cỡ lớn. Kính hộp hai lớp cách nhiệt cho nhà ở dùng một phần ý tưởng tương tự, với khí trơ hoặc không khí khô kẹp giữa và lớp phủ phản xạ hồng ngoại. Lần tới rót nước từ phích, hãy nhìn vào miệng ruột sáng như gương và nhớ rằng thứ đang giữ nước cho bạn là một khoảng gần như trống rỗng.