Phích nước giữ nóng được lâu vì nó chặn cả ba con đường mà nhiệt dùng để thoát ra. Lớp chân không giữa hai vách thuỷ tinh chặn nhiệt truyền qua vật chất và qua dòng không khí. Mặt tráng bạc sáng loáng hắt ngược những tia nhiệt trở vào trong. Còn chiếc nút phích chặn đường thoát lớn nhất còn lại, ở ngay miệng phích.
Chào bạn, đây là Nhà Phát Minh. Chuyên mục đọc ngược một vật hôm nay mình cầm lên chiếc phích nước hoa văn quen thuộc trong nhiều gia đình Việt, và thử hiểu vì sao một vật đơn giản như vậy lại là một bài học vật lý trọn vẹn.
Nhiệt thoát ra bằng ba đường
Muốn giữ nóng, trước hết phải hiểu nhiệt đi ra ngoài bằng cách nào. Có ba con đường chính.
Đường thứ nhất là dẫn nhiệt: nhiệt truyền trực tiếp qua vật chất, như khi bạn cầm cái thìa kim loại để trong nồi canh nóng, cán thìa nóng dần lên. Đường thứ hai là đối lưu: không khí hoặc nước sát vật nóng được làm ấm, bốc lên, mang nhiệt đi, chỗ trống được lấp bằng không khí lạnh hơn, cứ thế thành dòng chảy. Đường thứ ba là bức xạ: vật nóng phát ra những tia nhiệt vô hình, như khi bạn đứng gần bếp than, không chạm vào mà mặt vẫn thấy nóng.
Một chiếc cốc nước nóng để trên bàn mất nhiệt bằng cả ba đường cùng lúc: qua thành cốc, qua không khí xung quanh, và qua bức xạ.
Người làm ra phích nước đã tìm cách chặn từng con đường một.
Lớp chân không: chặn dẫn nhiệt và đối lưu
Ruột phích thật ra là hai bình thuỷ tinh lồng vào nhau, dính liền ở miệng. Giữa hai lớp thuỷ tinh, không khí được hút ra gần hết, tạo thành một lớp chân không.
Chân không là nơi gần như không có gì. Không có vật chất thì nhiệt không dẫn qua được. Không có không khí thì cũng không có dòng đối lưu nào mang nhiệt đi. Hai trong ba con đường bị chặn cùng lúc chỉ bằng việc lấy đi không khí.
Thuỷ tinh cũng được chọn có lý do. Nó dẫn nhiệt kém hơn kim loại nhiều, nên ở chỗ hai vách nối nhau tại miệng phích, nhiệt cũng khó rò ra hơn.
Nếu bạn từng nghe tiếng xì nhẹ hay thấy ruột phích mất khả năng giữ nóng sau một cú va, rất có thể lớp chân không đã bị hở. Không khí lọt vào giữa hai vách, và ruột phích trở thành một chiếc bình thuỷ tinh hai lớp bình thường.
Mặt tráng bạc: hắt ngược tia nhiệt
Nhìn vào lòng ruột phích, bạn thấy nó sáng loáng như gương. Đó là lớp tráng bạc trên mặt thuỷ tinh ở phía giáp lớp chân không.
Lớp chân không chặn được dẫn nhiệt và đối lưu, nhưng không chặn được bức xạ. Tia nhiệt đi xuyên qua chân không được, như ánh nắng mặt trời đi qua khoảng không vũ trụ để tới Trái Đất. Mặt tráng bạc như một tấm gương, hắt phần lớn tia nhiệt từ nước nóng trở lại vào trong thay vì để chúng thoát ra ngoài.
Thế là con đường thứ ba cũng bị chặn phần lớn. Ba lớp phòng thủ, mỗi lớp nhắm vào một kẻ thù riêng.
Có một điều thú vị: chiếc bình này ban đầu được làm ra cho phòng thí nghiệm, để giữ lạnh những chất rất lạnh, chứ không phải để pha trà. Nguyên lý chặn nhiệt không phân biệt nóng hay lạnh. Phích giữ nóng thì cũng giữ lạnh được, chỉ là chiều ngược lại.
Chiếc nút và đường thoát lớn nhất
Với ba lớp chặn đó, đường thoát nhiệt lớn nhất còn lại là miệng phích. Hơi nước nóng bốc lên, không khí ấm muốn thoát ra ngoài qua miệng. Vì vậy nút phích quan trọng hơn nhiều người nghĩ.
Nút phích truyền thống làm bằng bấc hay nhựa xốp, những vật liệu dẫn nhiệt kém, bịt kín miệng để chặn đối lưu. Quên đậy nút hay đậy lỏng thì nước nguội nhanh hơn rõ rệt.
Chuyện nút phích bật ra cũng có lời giải thích. Khi bạn rót nước sôi vào mà không đầy, rồi đậy nút ngay, lớp không khí còn lại trong phích bị nước nóng làm ấm lên, nở ra và hơi nước bốc lên, đẩy nút bật ra. Nhiều người có mẹo rót gần đầy để ít không khí, hoặc chờ một chút rồi mới đậy chặt.
Lớp vỏ ngoài bằng nhựa hay kim loại hoa văn thì chủ yếu để bảo vệ ruột thuỷ tinh mỏng manh bên trong. Ruột phích dễ vỡ khi va đập, nên đừng lắc mạnh hay để phích đổ.
Từ phích thuỷ tinh tới bình giữ nhiệt inox
Những chiếc bình giữ nhiệt bằng inox mà nhiều người mang đi làm, đi học ngày nay dùng đúng nguyên lý của chiếc phích cũ: hai lớp inox với lớp chân không ở giữa. Inox bền, không vỡ, nhẹ và dễ mang theo, dù về khả năng dẫn nhiệt thì kim loại kém thuỷ tinh một chút ở phần miệng.
Nhiều bình còn có nắp nhiều lớp, gioăng cao su kín hơi, để chặn tốt hơn đường thoát ở miệng, chính là điểm yếu mà chiếc phích xưa chỉ có một cái nút bấc để lo.
Chiếc phích là một ví dụ đẹp về cách một phát minh giải quyết vấn đề bằng cách hiểu tận gốc nó. Không phải thêm lửa, không phải thêm điện, chỉ là chặn đúng từng con đường mà nhiệt dùng để ra đi.
Lần tới rót một chén trà nóng từ phích, bạn có thể nghĩ về ba lớp phòng thủ đang lặng lẽ làm việc bên trong, giữ cho chén trà của bạn còn ấm vào buổi chiều.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao ruột phích có lớp chân không?
Lớp chân không giữa hai vách thuỷ tinh không có vật chất và không khí, nên chặn được nhiệt truyền qua dẫn nhiệt và đối lưu, giúp nước giữ nóng lâu.
Vì sao bên trong ruột phích sáng như gương?
Lớp tráng bạc hắt ngược phần lớn tia nhiệt bức xạ trở lại vào trong, chặn con đường thứ ba mà nhiệt dùng để thoát ra ngoài.
Vì sao nút phích hay bị bật ra?
Khi rót nước nóng mà không đầy rồi đậy nút ngay, không khí còn lại bị làm nóng, nở ra cùng hơi nước và đẩy nút lên. Rót gần đầy hoặc chờ một chút rồi đậy sẽ đỡ hơn.
Phích nước có giữ lạnh được không?
Có. Nguyên lý chặn truyền nhiệt không phân biệt chiều nóng hay lạnh, nên phích cũng giữ đồ lạnh được lâu.
Bình giữ nhiệt inox khác phích thuỷ tinh thế nào?
Cùng nguyên lý hai lớp có chân không ở giữa, nhưng dùng inox nên bền, nhẹ, không vỡ. Nắp nhiều lớp và gioăng kín giúp chặn nhiệt ở miệng bình tốt hơn.
