Những viên đá làm lạnh đồ uống như thế nào?

Lời giải thích nằm ở hai khái niệm có liên quan mật thiết với nhau: Nhiệt độ và năng lượng.

Nhiệt độ và năng lượng là gì?

Nhiệt độ là đại lượng cho biết trạng thái nóng hay lạnh của một vật. Nhiệt kế giúp đo nhiệt độ chính xác hơn so với cảm giác của con người.

Nhà vật lý Daniel Gabriel Fahrenheit, người đặt tên cho thang nhiệt độ Fahrenheit, quy ước điểm đóng băng của nước ở 32 độ F và điểm sôi ở 212 độ F trong điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Hai mốc này tương ứng với 0°C và 100°C.

Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công hoặc gây ra sự thay đổi. Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng, chẳng hạn động năng, thế năng, hóa năng, điện năng và năng lượng hạt nhân.

Trong đó, nội năng là tổng năng lượng ở cấp độ vi mô của một vật, bao gồm năng lượng liên quan đến chuyển động và tương tác giữa các hạt cấu tạo nên vật.

Ở cấp độ phân tử, nhiệt độ có liên quan đến năng lượng động học trung bình của các hạt.

Vật có nhiệt độ cao hơn thường có năng lượng động học trung bình của các hạt lớn hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ và tổng năng lượng của một vật không phải là một. Một vật có nhiệt độ thấp nhưng khối lượng rất lớn vẫn có thể chứa tổng năng lượng nội tại lớn hơn một vật nhỏ có nhiệt độ cao.

Một dạng năng lượng khác là thế năng, tức năng lượng liên quan đến vị trí hoặc sự tương tác của các vật thể. Ở cấp độ vi mô, thế năng cũng tồn tại trong các tương tác giữa các nguyên tử và phân tử.

Ví dụ, khi một tảng đá nằm trên đỉnh dốc, nó có thế năng hấp dẫn. Khi lăn xuống, một phần thế năng này chuyển thành động năng. Trong quá trình chuyển động và va chạm, năng lượng có thể tiếp tục chuyển sang các dạng khác.

Điểm quan trọng là năng lượng không tự sinh ra hoặc mất đi mà được chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Đây là nội dung của định luật bảo toàn năng lượng.

Điều gì xảy ra ở cấp độ phân tử?

Hãy so sánh một tách trà nóng với một tảng băng trôi. Tách trà có nhiệt độ cao hơn rất nhiều, nhưng tảng băng khổng lồ có thể chứa tổng năng lượng nội tại lớn hơn do có số lượng phân tử lớn hơn rất nhiều.

Trong tách trà nóng, các phân tử nước có năng lượng động học trung bình cao hơn so với các phân tử trong tảng băng lạnh. Nói cách khác, nhiệt độ phản ánh mức độ chuyển động nhiệt trung bình của các hạt trong vật.

Tuy nhiên, tổng năng lượng của vật còn phụ thuộc vào số lượng hạt và cách chúng tương tác với nhau. Vì vậy, không thể chỉ dựa vào nhiệt độ để xác định một vật chứa tổng cộng bao nhiêu năng lượng.

Chìa khóa để hiểu cách đá làm lạnh đồ uống nằm ở sự truyền nhiệt và quá trình chuyển pha.

Vì sao đá làm lạnh được đồ uống?

Khi trà nóng tiếp xúc với những viên đá lạnh, nhiệt được truyền từ trà sang đá do có sự chênh lệch nhiệt độ. Ở cấp độ vi mô, các phân tử trong trà liên tục va chạm với các phân tử ở bề mặt viên đá và truyền năng lượng cho chúng.

Kết quả là trà mất năng lượng và nhiệt độ giảm, trong khi đá nhận năng lượng.

Nhiệt trong vật lý được hiểu là năng lượng truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp do chênh lệch nhiệt độ. Quá trình này tiếp tục cho đến khi các vật đạt trạng thái cân bằng nhiệt, nếu không có nguồn trao đổi nhiệt khác tác động vào hệ.

Nhưng nếu chỉ có sự truyền nhiệt, câu hỏi đặt ra là: tại sao một lượng đá nhỏ lại có thể làm lạnh đáng kể một lượng đồ uống lớn?

Câu trả lời nằm ở nhiệt nóng chảy.

Khi viên đá đạt 0°C, nó bắt đầu nóng chảy. Lúc này, nhiệt lượng mà đá tiếp tục nhận không chủ yếu làm nhiệt độ của đá tăng lên mà được sử dụng để phá vỡ cấu trúc liên kết giữa các phân tử nước trong mạng tinh thể băng, giúp đá chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng.

Đáng chú ý, trong quá trình nóng chảy, nhiệt độ của hỗn hợp đá và nước vẫn duy trì ở khoảng 0°C trong điều kiện áp suất khí quyển, cho đến khi toàn bộ đá tan hết.

Lượng năng lượng cần để làm nóng chảy 1kg nước đá ở 0°C vào khoảng 334kJ. Đây được gọi là nhiệt nóng chảy riêng của nước.

Điều này giải thích vì sao đá có khả năng làm lạnh đồ uống hiệu quả: nhiệt từ đồ uống không chỉ làm đá tăng nhiệt độ mà còn cung cấp năng lượng để một phần hoặc toàn bộ đá chuyển thành nước.

Vì sao đồ uống có đá thường lạnh lâu?

Giả sử đá đã ở 0°C và được đặt trong một đồ uống có nhiệt độ cao hơn. Nhiệt sẽ tiếp tục truyền từ đồ uống sang đá.

Một phần năng lượng làm nhiệt độ của đồ uống giảm xuống. Khi đá ở 0°C bắt đầu tan, phần lớn năng lượng tiếp tục được sử dụng cho quá trình chuyển từ băng thành nước, thay vì làm nhiệt độ của đá tăng lên.

Đây là lý do đồ uống có đá có thể duy trì nhiệt độ thấp trong một khoảng thời gian tương đối dài. Chừng nào vẫn còn đá ở trạng thái rắn, nhiệt độ của hỗn hợp nước và đá trong điều kiện lý tưởng có xu hướng duy trì quanh 0°C.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa mọi ly nước có đá đều sẽ đạt đúng 0°C. Nhiệt độ cuối cùng phụ thuộc vào lượng đồ uống, khối lượng và nhiệt độ ban đầu của đá, thành phần đồ uống cũng như lượng nhiệt trao đổi với môi trường.

Nếu lượng đá không đủ để hấp thụ toàn bộ nhiệt cần thiết, đá sẽ tan hết trước khi đồ uống đạt 0°C. Khi đó, nhiệt độ đồ uống tiếp tục thay đổi cho đến khi đạt cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh.

Ngược lại, nếu còn đá sau khi đồ uống đã đạt gần 0°C, nhiệt từ không khí, thành cốc hoặc bàn tay người cầm cốc vẫn có thể truyền vào hệ và làm đá tiếp tục tan.

Vì vậy, lần tới khi cho vài viên đá vào ly nước, bạn có thể hình dung đây là một thí nghiệm vật lý đơn giản: nhiệt từ đồ uống truyền sang đá, sau đó một phần năng lượng được "tiêu tốn" cho quá trình đá chuyển từ rắn sang lỏng. Chính quá trình chuyển pha này giúp đá làm lạnh đồ uống hiệu quả.