Nồi áp suất, là loại nồi khi đun thì áp suất trong nồi rất cao. Vì sao trong điều kiện áp suất cao, thức ăn trong nồi dễ nấu chín nhỉ?
Trong điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn, điểm sôi của nước là 100°C. Dùng nồi thông thường nấu thức ăn, nhiệt độ trong nồi không thể cao hơn 100°C. Cho lửa to lên hoặc kéo dài thời gian đun nấu, kết quả của nó chỉ có thể làm cho nước từ thể lỏng biến thành thể khí, tức xảy ra bốc hơi. Nhiệt độ của nước không thể vượt quá 100°C. Đó là vì các phân tử nước ở 100°C đã có năng lượng đủ để đánh bật sự ngăn cản của phân tử không khí mà trở thành hơi nước. Nhưng nếu tăng cao áp suất của không khí xung quanh, thế thì phân tử nước phải có năng lượng lớn hơn mới có thể vượt qua được "rào cản" của phân tử không khí mà bay vào được trong không khí, biến thành hơi nước. Năng lượng của phân tử nước hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ của bản thân nước.
Nhiệt độ càng cao, năng lượng của phân tử nước càng lớn. Vì vậy, muốn cho nước trong nồi sôi ở nhiệt độ điểm sôi cao hơn, nấu chín thức ăn nhanh hơn thì tất phải tăng cao khí áp trong nồi.
Trên mặt đất, vật thể chịu một áp suất khí quyển khoảng 101,3 kPa. Từ mặt đất đi sâu xuống lòng đất, độ sâu cứ tăng 1000 m, theo đà áp suất tăng lên, điểm sôi của nước liền cao lên 3°C. Trong hầm mỏ ở độ sâu 300 m, nước phải đạt tới 101°C mới có thể sôi. Nếu muốn cho nước tới 200°C mới sôi, thì áp suất trong nồi bắt buộc phải đạt đến 1418,2 kPa (14,18 at).
Lợi dụng nguyên lí kể trên, người ta đã làm ra nồi áp suất. Đặc điểm lớn nhất của nó là tính năng bịt kín tốt. Khi nước đạt tới 100°C và bắt đầu sôi, phân tử nước không làm sao chạy thoát ra khỏi nồi, làm cho khí áp trong nồi tăng dần lên. Mà sự tăng cao của khí áp lại dẫn tới việc tăng cao của điểm sôi. Thế là đồ nấu trong nồi có thể tiếp tục hấp thu nhiệt lượng. Vì vậy thức ăn dễ nấu chín. Nhiệt độ trong nồi áp suất nói chung có thể đạt tới 120°C trở lên. Ở một nhiệt độ như vậy, tinh bột dễ dàng trở thành hồ, nhờ đó gạo dễ dàng được nấu thành cơm chín. Để phòng ngừa áp suất trong nồi áp suất quá lớn dẫn tới nồi bị nổ tung, trên nắp nồi áp suất đều có lắp van an toàn.
Khi áp suất trong nồi vượt quá giá trị quy định, một phần hơi nước áp suất cao liền chọc thủng van an toàn chạy thoát ra ngoài, qua đó làm cho trong nồi duy trì một áp suất nhất định.
Trong tình hình khí áp thấp, điểm sôi của nước cũng sẽ xuống thấp. Ví dụ khi đun nước trên đỉnh Everest, nước đạt tới 73,5°C thì bắt đầu sôi rồi. Ở nhiệt độ như vậy, thức ăn khó nấu chín. Vì vậy ở vùng khí áp thấp trên cao nguyên, lợi dụng nồi áp suất để nấu thức ăn là cách thức nấu nướng có hiệu quả nhất.
Từ khoá: Nồi áp suất; Sôi; Điểm sôi; Áp suất.
Trong những ngày rét đậm, vừa thức dậy sáng tinh mơ, nhìn lên kính cửa sổ, thấy mặt kính đã đóng đầy hoa băng đẹp mắt, có cái giống hoa lan, có cái giống thông đuôi ngựa, trong suốt óng ánh. Ai vẽ lên kính những bức tranh đẹp đẽ ấy nhỉ?
Ngoài thế giới tự nhiên ra, còn ai vào đây nữa. Đó là giá lạnh vẽ tranh bằng băng đấy. Chúng ta ai cũng đều thấy cả rồi. Băng đóng trên mặt nước là từng mảng từng mảng lớn. Đó là vì phân tử nước tương đối dày đặc, khi một lượng nước lớn đóng băng, các tinh thể băng đều quấn chặt vào nhau; còn hoa tuyết có hình sáu cạnh, vì phân tử hơi nước tương đối thưa, khi ngưng kết, lại không phải chịu áp lực không đồng đều bên ngoài, tinh thể băng cấu thành ngoại hình từ góc độ vốn có của nó. Kì thực, băng ở dạng khối lớn, tinh thể băng của nó cũng là hình sáu cạnh, vì chúng quấn chặt lấy nhau, chúng ta nhìn không ra mà thôi.
Hoa băng trên kính cửa sổ vốn cũng là hình sáu cạnh. Sau khi những tinh thể băng sớm nhất kết thành rồi, liền dần dần phát triển ra bốn phía. Khi ấy, tình hình liền phức tạp hẳn lên, có lúc gió mạnh, có lúc gió yếu, vả lại mặt kính có cái trơn bóng, có cái thô ráp, có mặt kính tích tụ vết bẩn, có cái không nhiễm bụi. Như vậy, khi hơi nước trùm lên sẽ không đồng đều. Có chỗ hơi nước đọng lại nhiều một chút, có chỗ đọng ít một chút. Khi tinh thể băng vươn ra bốn phía, gặp phải chỗ hơi nước đọng nhiều, băng liền đóng dày một chút; gặp chỗ hơi nước đọng ít, băng liền đóng mỏng bớt một chút. Chỗ băng đóng đặc biệt mỏng, gặp phải chút ít nhiệt hoặc áp lực thì sẽ tan chảy ngay, vì vậy mà hình thành lên hoa văn đủ các hình dạng. Cái đó tương tự như chúng ta vẽ tranh, dùng thuốc màu nhiều một chút, màu sắc trên bức tranh đậm lên một chút; thuốc màu ít một chút, màu sắc trên bức tranh nhạt đi một chút, chỗ nào không bôi thuốc màu tức là màu sắc vốn có của giấy vẽ.
Từ khoá: Băng; Hoa tuyết; Ngưng kết.
Nghe tiếng máy bay ầm ĩ ở trên đỉnh đầu, ngẩng mặt nhìn lên, thường thấy: máy bay đã vút qua rồi, đằng sau lại kéo theo một cái đuôi dài dài tựa như dải khói trắng. Dải "khói trắng"
đó sẽ dần dần khuếch tán, nhạt nhoà, rồi biến mất.
Có lẽ bạn sẽ nghĩ: cái đuôi đó là do khói sinh ra khi nhiên liệu máy bay bị đốt cháy, giống như kiểu khí thải mà ô tô và máy nổ các loại thải ra vậy. Thực ra, cái đuôi ấy là khói nhưng phải nói nó là mây mới xác đáng, vì nó với mây rất giống nhau.
Chúng ta biết rằng, bên trong mây có vô vàn hạt nước nhỏ và tinh thể băng nhỏ. Chúng do hơi nước trong không khí ngưng kết lại mà thành. Sự hình thành này cần có hai điều kiện: trước hết phải có đầy đủ hơi nước, và đạt tới áp suất hơi nước bão hoà; tiếp đến còn cần có hạt bụi và hạt mang điện làm hạt nhân ngưng kết. Như vậy, hơi nước đã đạt tới áp suất hơi nước bão hoà liền có thể ngưng kết xung quanh nhân ngưng kết, hình thành hạt nước nhỏ hoặc tinh thể băng nhỏ. Hạt nước nhỏ và tinh thể băng nhỏ xúm lại với nhau thì thành một vầng mây lớn.
Biết được mây hình thành lên như thế nào rồi, bây giờ chúng ta trở lại nghiên cứu tỉ mỉ trường hợp "đuôi khói trắng" của máy bay xem sao. Khi máy bay bay về phía trước, không gian mà thân máy bay vốn chiếm cứ cần có không khí xung quanh đến bù lấp vào. Nhưng, máy bay bay rất nhanh, có thể vượt cả tốc độ âm thanh, còn không khí lại là vật dẫn nhiệt không tốt. Quá trình không khí xung quanh đền bù lấp tương đương với một quá trình giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ không khí sẽ xuống thấp trong phút chốc. Trên trời cao vốn có rất nhiều hơi nước, nhiệt độ vừa
xuống thấp thì áp suất hơi nước bão hoà cũng xuống thấp theo, hơi nước xung quanh liền đạt tới áp suất hơi nước bão hoà. Điều đó thoả mãn điều kiện thứ nhất để hình thành mây. Ngoài ra, nhiên liệu máy bay bị đốt cháy quả thực có thải ra một số bụi khói, chúng có thể làm nhân ngưng kết. Thế là, hơi nước ở đằng sau máy bay nhanh chóng ngưng kết lại xung quanh những hạt bụi đó, hình thành lên rất nhiều hạt nước nhỏ. Đó tức là cái đuôi khá dài sau máy bay mà chúng ta nhìn thấy.
Có thể bạn sẽ hỏi, tại sao mây có thể lơ lửng trên trời một quãng thời gian rất dài, còn dải
"mây" kéo theo đằng sau đuôi máy bay sao lại tiêu tán rất nhanh? Trước hết là thể tích của hai loại đó khác nhau. Đường kính của một đám mây ít nhất cũng tới vài chục kilômét. Mây cũng có thể dần dần tiêu tán, nhưng cho đến lúc nó hoàn toàn tiêu tán cũng phải có một quãng thời gian tương đối dài. Còn mây sinh ra đằng sau máy bay suy cho cùng nhỏ hơn rất nhiều, cho nên rất dễ bị tiêu tán hết. Còn có một nguyên nhân rất quan trọng nữa, đó là mây đằng sau máy bay hình thành lên trong chớp mắt khi máy bay bay qua, do nhiệt độ không khí xuống thấp, áp suất hơi nước bão hoà hạ xuống nên hơi nước mới đạt đến áp suất hơi nước bão hoà. Theo đà nhiệt độ không khí từ từ lên trở lại, hơi nước không đạt tới áp suất hơi nước bão hoà, hạt nước nhỏ và tinh thể băng nhỏ lại dần dần bốc hơi thành hơi nước và biến mất không còn bóng dáng.
Từ khoá: Máy bay; Mây; Ngưng kết; Áp suất hơi nước bão hoà; Hạt nhân ngưng kết;
Giãn nở đoạn nhiệt.
Từ thời đại xa xưa, để duy trì sự sinh tồn, con người đã phát minh và chế tạo ra các máy đơn giản, như mặt phẳng nghiêng, ròng rọc, đòn bẩy v.v. Về sau, theo đà phát triển của văn minh vật chất của xã hội, con người lại chế tạo ra nhiều máy móc. Lợi dụng máy móc, loài người tạo ra của cải vật chất và tinh thần phong phú. Song, cho dù có cải tiến như thế nào đối với máy móc, người ta phát hiện, bất cứ dụng cụ hoặc máy móc nào cũng cần phải có tác động của ngoại lực mới vận hành được. Những ngoại lực này bao gồm sức người, sức súc vật, sức gió cùng với sức điện; sức nước, lực hoá học, lực hạt nhân nguyên tử v.v. trong nền sản xuất hiện đại hoá. Vả lại, lợi dụng bất kì máy móc nào cũng chỉ có thể giảm bớt cường độ của lực, thay đổi hướng của lực, chứ không thể giảm nhỏ công của lực làm ra. Cũng có nghĩa là, muốn cho máy móc làm bao nhiêu công việc, con người ít ra phải cung cấp cho máy móc bấy nhiêu năng lượng tương ứng, thậm chí năng lượng nhiều hơn.
Một khi ngừng cung cấp năng lượng, bất cứ cỗ máy nào cũng không thể vận hành tiếp. Cách làm
"vừa muốn ngựa chạy, lại muốn ngựa không ăn cỏ" là điều khẳng định không làm được trong đời sống thực tế.
Trong lịch sử, có một số người đã từng tìm cách chế tạo ra hai loại động cơ vĩnh cửu. Loại thứ nhất là hoàn toàn cách li máy móc với bên ngoài, dựa vào năng lượng của bản thân máy móc để vận hành.
Tuy nhiên, cho dù phương án thiết kế có tỉ mỉ, chu đáo đến đâu, thậm chí "tổn hao tâm huyết" rất nhiều, trong việc chế tạo thực tế đều vì thất bại mà xếp xó. Nguyên nhân của nó là, trong điều kiện không có tác động của bất kì ngoại lực nào, lực cản ma sát trong quá trình vận hành của
máy móc là không thể nào trừ bỏ được. Nó sẽ dần dần tiêu hao năng lượng của tự thân máy móc và cuối cùng làm cho máy móc không vận hành được nữa. Trong thiên nhiên tồn tại một định luật vật lí áp dụng rộng rãi - định luật thứ nhất của nhiệt động học. Nó là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng trong nhiệt động học. Nội dung Định luật: Nếu không có bất cứ ngoại lực nào cung ứng năng lượng, năng lượng của vật thể vừa không thể sinh ra, cũng không thể mất đi. Khi không thể tránh được sự tồn tại của lực ma sát, năng lượng của máy móc một khi "hết sạch đạn dược và lương thảo" thì không sao vận hành được nữa, động cơ vĩnh cửu cũng trở thành không tưởng.
Loại động cơ vĩnh cửu thứ hai là chỉ vào máy móc không hoàn toàn cách li với thế giới bên ngoài, nhưng chỉ là nhận lấy năng lượng nhiệt từ một nguồn nhiệt bên ngoài một cách đơn phương để vận hành.
Loại máy móc này cũng là loại không thể chế tạo được. Đó là vì bất cứ máy móc nào muốn duy trì vận hành được phải có hai ống trao đổi năng lượng với bên ngoài. Máy móc tiếp nhận năng lượng từ một ống thông, một phần dùng để thực hiện công mà người ta muốn nó làm, một phần khác tán phát ra qua một ống khác không thể tránh được. Động cơ của ô tô chính là một ví dụ điển hình. Không có xăng, động cơ ô tô không thể nào nổ máy được. Nhưng nếu chỉ có xăng mà không có lối thông xả khí thải thì ô tô cũng không thể chạy mãi như thế. Các nhà vật lí thông qua rất nhiều lần thực nghiệm đã tổng kết ra định luật thứ hai của nhiệt động học. Nó cho ta biết: sự chuyển hoá năng lượng có tính phương hướng. Con người không thể vi phạm tính phương hướng này để chế tạo ra động cơ vĩnh cửu. Trong cuộc sống hằng ngày, con người có thể xoa tay liên tục làm cho lòng bàn tay nóng lên. Đó là quá trình công cơ học biến thành nhiệt. Nhưng động cơ ô tô nhận được năng lượng từ xăng lại không thể dùng hoàn toàn vào việc chạy ô tô, có một phần nhiệt lượng trong đó nhất định sẽ "trốn chạy". Điều đó chứng tỏ nhiệt không thể chuyển hoá toàn bộ thành công. Đó tức là tính đơn hướng giữa tiêu hao nhiệt và sinh ra công. Còn nữa, nếu để một cốc nước nóng sát cạnh một cốc nước lạnh, để chúng truyền nhiệt cho nhau. Kết quả là nước nóng nguội bớt, nước lạnh nóng lên, cho đến khi nhiệt độ hai cốc nước bằng nhau. Chẳng có một ai chứng kiến được hiện tượng nước nóng tự động nhận thêm nhiệt lượng từ trong nước lạnh để tiếp tục tăng nhiệt lên, còn nước lạnh thì hạ tiếp nhiệt độ xuống. Đó là tính phương hướng của sự truyền nhiệt.
Tóm lại, động cơ vĩnh cửu loại một và động cơ vĩnh cửu loại hai đều không thể chế tạo ra được, vì chúng vi phạm định luật phổ cập về biến đổi năng lượng thiên nhiên, điều này đã được chứng minh qua rất nhiều thực nghiệm.
Từ khoá: Động cơ vĩnh cửu; Định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng; Định luật thứ nhất của nhiệt động học; Định luật thứ hai của nhiệt động học.
Trong cuộc sống hằng ngày, khuếch tán là một hiện tượng rất phổ cập. Ví dụ, nhỏ một giọt mực đen vào trong cốc nước sạch, sau một khoảng thời gian, mực và nước sạch hoàn toàn trộn lẫn vào nhau. Nước sạch vốn trong suốt không màu đã biến thành nước hơi hơi bị nhuộm đen. Hoặc đặt lọ nước hoa đã mở nắp trong một gian phòng đóng kín các cửa, chẳng bao lâu, mùi nước hoa toả khắp cả gian phòng.
Hiện tượng khuếch tán có nguyên nhân phát sinh từ chuyển động nhiệt hỗn loạn của phân tử. Khi một giọt mực nhỏ vào trong cốc nước sạch, thoạt đầu các phân tử mực tụ tập ở vị trí của một khu vực, về sau do chuyển động va chạm quyết liệt xảy ra giữa phân tử mực và phân tử nước, các phân tử mực liền phân bố đồng đều trên khắp khu vực không gian của cái cốc. Sự khuếch tán của phân tử nước hoa cũng như vậy. Các loại hiện tượng khuếch tán cho chúng ta biết, khuếch tán cuối cùng vẫn là sự biến đổi tự phát từ một loại trạng thái tương đối có trật tự (như mực và nước sạch có mặt phân cách nhất định) sang trạng thái vô trật tự (như hai loại vật chất hoàn toàn trộn lẫn).
Vì sao khuếch tán chung quy vẫn là tự phát từ có trật tự biến thành vô trật tự nhỉ? Hoá ra là xác suất xuất hiện trạng thái vô trật tự rất nhiều. Để nói rõ bản chất này của khuếch tán, chúng ta hãy giả thiết có một cái hộp đậy kín, nửa phần bên trái của hộp có chứa ba phân tử chất khí, nửa phần bên phải không có phân tử chất khí.
Do chuyển động hỗn loạn của phân tử chất khí, sự phân bố của ba phân tử đó trong cả cái hộp có tám loại khả năng. Trong tám loại khả năng này, trạng thái có trật tự cả ba phân tử đều ở trong nửa phần bên trái hoặc nửa phần bên phải chỉ có hai loại; còn trạng thái vô trật tự tương đối có một trong ba phân tử ở vào nửa phần bên trái (hoặc nửa phần bên phải) hai phân tử còn lại ở vào nửa phần kia lại có sáu loại. Vì vậy, với trường hợp ba phân tử, xác suất xuất hiện trạng thái vô trật tự lớn gấp ba lần xác suất xuất hiện trạng thái có trật tự. Rõ ràng là con số các phân tử càng nhiều thì xác suất xuất hiện trạng thái vô trật tự phân bố đồng đều càng lớn. Con số các phân tử chứa đựng trong một giọt mực hoặc một giọt nước hoa lên tới trên trăm tỉ. Vì vậy, khi những phân tử đó khuếch tán, xác suất xuất hiện sự phân bố đồng đều lớn hơn xác suất tụ tập vào một vị trí cục bộ nào đó rất rất nhiều. Điều đó giải thích nguyên nhân vì sao đủ loại hiện tượng khuếch tán mà thông thường chúng ta quan sát thấy rốt cuộc vẫn là ngả về phân bố đồng đều, về trạng thái vô trật tự.
Về mặt lí thuyết, đã là chuyển động nhiệt hỗn loạn, thì ắt phải có một thời khắc nào đó các phân tử mực đã khuếch tán vẫn tụ tập vào với nhau, khôi phục lại hình trạng một giọt mực. Nhưng tính toán thực tế cho thấy, thời gian mà con người chờ đợi loại xác suất này xuất hiện vượt quá tuổi tác của Vũ Trụ rất nhiều. Vì vậy, một giọt mực sau khi khuếch tán trong nước, trên thực tế là không thể tự động tụ tập lại được.
Từ khoá: Khuếch tán; Có trật tự; Vô trật tự.
Buổi tối khi cởi áo len, có lúc bạn lại nghe thấy tiếng "lẹt rẹt", nếu đèn đã tắt, bạn còn có thể nhìn thấy hoa điện chớp chớp nữa! Đó là chuyện gì vậy nhỉ?
Có lẽ bạn nghĩ rằng, trên thân mình bạn vừa trải qua hàng trăm lượt "sấm sét". Đó không phải là nói chuyện giật gân đâu. Nhà vật lí người Mĩ Franklin, ngay từ năm 1752 đã dùng thực nghiệm thả diều nổi tiếng của mình để chứng minh sét tức là hiện tượng phóng điện trong thiên nhiên. Cố nhiên quy mô phóng điện của sét rất lớn, còn điều mà thân mình bạn trải qua, chẳng qua chỉ là "sét vi mô" có quy mô phóng điện rất nhỏ, cho nên bạn có thể tuyệt nhiên không cảm thấy gì. Nhưng trên thân thể sao lại mang điện nhỉ?
Chúng ta biết rằng, vật thể đều do nguyên tử tạo nên. Trong nguyên tử có chứa vài electron.
Electron mang điện tích âm, hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương. Khi điện tích dương và âm bằng nhau, vật chất đối với bên ngoài không thể hiện ra tính chất điện. Nếu chúng ta dùng da, lông chà sát que cao su, dùng miếng nhựa chà xát que thuỷ tinh, các vật thể vốn không mang điện đó liền mang điện, có thể hút được các vụn giấy nhỏ. Thì ra, khi có sự cọ xát liên tục giữa các vật thể, do năng lực hút electron của hạt nhân nguyên tử của vật chất khác nhau có mạnh có yếu, sự cọ xát có thể làm cho một số electron từ vật thể có năng lực hút electron yếu chạy sang vật thể có năng lực hút electron tương đối mạnh. Kết quả là, vật thể bị mất electron mang điện tích dương, vật thể nhận được electron mang điện tích âm. Quá trình này tức là ma sát sinh điện. Điện do ma sát sinh