Nước đá nổi vì khi đông lại, nước nở ra khoảng 9% thể tích. Cùng một lượng nước mà chiếm chỗ nhiều hơn thì nhẹ hơn: nước đá có khối lượng riêng khoảng 0,92 gam mỗi centimet khối, còn nước lỏng khoảng 1 gam. Vì thế viên đá luôn nổi, với chừng chín phần mười chìm dưới nước và một phần mười nhô lên — đúng như câu "phần nổi của tảng băng chìm".
Phần lớn chất lỏng khác co lại và chìm xuống khi đông đặc; nước là ngoại lệ hiếm hoi, và ngoại lệ đó giải thích nhiều chuyện trong nhà. Bài này đi qua bảy câu hỏi vật lý quen thuộc: vì sao đá nổi, vì sao chai nước để ngăn đá bị nứt, vì sao ly nước đá đổ mồ hôi, vì sao kính mờ khi ra khỏi phòng lạnh, vì sao rắc muối làm đá tan nhanh, vì sao quạt làm mát người mà không làm mát phòng, vì sao ống hút trong cốc trông như bị gãy.
Vì sao nước đá nhẹ hơn nước lỏng?
Phân tử nước gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro, xếp thành hình chữ V. Giữa các phân tử có liên kết hydro — lực hút giữa đầu hydro của phân tử này với đầu oxy của phân tử kia. Ở thể lỏng, các liên kết này liên tục đứt rồi nối lại, phân tử chen chúc khá sát nhau.
Khi nhiệt độ hạ xuống 0 độ C, các phân tử chậm lại và bị liên kết hydro khoá vào một mạng tinh thể hình lục giác có nhiều khoảng trống. Mạng thoáng đó chiếm chỗ nhiều hơn lúc các phân tử còn lộn xộn, nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng. Bông tuyết sáu cánh chính là hình dáng phóng to của mạng lục giác này.
Nước còn lạ ở một điểm nữa: nó nặng nhất ở khoảng 4 độ C chứ không phải 0 độ C. Nhờ vậy, khi mùa đông đến ở xứ lạnh, nước 4 độ C chìm xuống đáy hồ, lớp băng đóng ở mặt trên như tấm chăn cách nhiệt, cá vẫn sống được ở lớp nước bên dưới. Nếu băng chìm, hồ sẽ đông cứng từ đáy lên và sự sống dưới nước khó qua được mùa đông.
Vì sao chai nước để ngăn đá bị nứt, phồng?
Thủ phạm chính là sự nở 9% khi đóng băng. Nước trong chai đông từ ngoài vào trong; lớp vỏ băng hình thành trước bịt kín, phần nước bên trong đông sau, nở ra và đẩy mạnh vào thành chai. Áp lực này đủ làm nứt chai thuỷ tinh, phình lon nước ngọt, thậm chí làm vỡ ống nước ngoài trời ở các nước lạnh. Vài lưu ý khi dùng ngăn đá:
- Không để chai thuỷ tinh đầy nước, bia, nước ngọt vào ngăn đá. Lỡ quên vài giờ là vỡ, mảnh thuỷ tinh lẫn vào thực phẩm rất nguy hiểm.
- Muốn làm đá trong chai nhựa, chỉ đổ khoảng 80–90% dung tích để chừa chỗ cho nước nở, và vặn hờ nắp lúc đầu.
- Lon nước ngọt có ga để ngăn đá dễ phồng và bục, vì nước nở ra cộng thêm khí CO2 bị ép thoát khỏi nước.
- Hộp trữ đông canh, nước dùng nên chừa khoảng 2 cm phía trên để không bung nắp.
- Muốn làm lạnh nhanh bia, nước uống, có thể để ngăn đá nhưng hẹn giờ 20–30 phút; quấn khăn ướt quanh chai giúp lạnh nhanh hơn.
Rau quả nhiều nước như dưa chuột, xà lách để ngăn đá bị nhũn khi rã đông cũng vì lý do này: tinh thể đá nở ra chọc thủng vách tế bào.
Vì sao ly nước đá đổ mồ hôi?
Không khí luôn chứa hơi nước vô hình. Lượng hơi nước tối đa không khí giữ được phụ thuộc nhiệt độ: không khí càng ấm giữ được càng nhiều. Khi lớp không khí sát thành ly bị làm lạnh xuống dưới một ngưỡng gọi là điểm sương, nó không giữ nổi lượng hơi nước đang có, phần dư ngưng tụ thành giọt bám trên thành ly. Nước đó đến từ không khí, không phải thấm từ trong ly ra.
Muốn kiểm chứng, pha chút màu đỏ vào ly nước đá: giọt nước bên ngoài vẫn trong suốt. Ngày nồm ẩm ở miền Bắc hay trưa oi bức ở Nam Bộ, ly trà đá chảy nước ròng ròng; ngày hanh khô hoặc trong phòng điều hoà, thành ly gần như khô. Sương đọng trên lá cỏ buổi sáng, ống đồng điều hoà nhỏ nước, tường nhà chảy nước ngày nồm đều cùng một cơ chế.
Mẹo thực tế: đặt ly lên lót ly vải hoặc gỗ để mặt bàn không bị loang ố, dùng ly hai lớp cách nhiệt để vừa giữ lạnh lâu vừa không đọng nước. Đừng mang máy ảnh, điện thoại từ phòng lạnh ra ngoài trời nóng ẩm rồi dùng ngay, vì hơi nước có thể đọng bên trong máy — để máy trong túi kín vài chục phút cho ấm dần.
Vì sao kính mờ hơi khi bước ra khỏi phòng lạnh?
Người đeo kính cận quen cảnh vừa bước từ phòng điều hoà hoặc ô tô mát ra ngoài trời nóng, mắt kính lập tức mờ trắng. Mắt kính đang lạnh, lớp không khí nóng ẩm chạm vào bị hạ nhiệt dưới điểm sương, hơi nước ngưng thành vô số giọt li ti. Mỗi giọt bẻ ánh sáng theo một hướng, nên cả mặt kính trắng đục. Ngược lại, mùa đông miền Bắc, bước từ ngoài trời lạnh vào bếp đang sôi nồi canh, kính cũng mờ.
Cùng lý do, gương nhà tắm mờ khi tắm nước nóng, và kính ô tô mờ phía trong lúc trời mưa vì hơi thở người trong xe ấm và ẩm hơn mặt kính lạnh. Đeo khẩu trang làm kính mờ vì hơi thở ấm ẩm thoát lên trên qua mép khẩu trang.
Cách xử lý: với ô tô, bật điều hoà và hướng gió vào kính chắn gió, vì điều hoà làm khô không khí; bật sấy kính sau. Với kính mắt, rửa bằng một giọt nước rửa chén pha loãng rồi để khô tự nhiên, tạo lớp màng mỏng chống đọng giọt; ép sát thanh kim loại của khẩu trang vào sống mũi. Với gương nhà tắm, bật quạt thông gió trước khi tắm, hoặc lau gương bằng chút xà phòng rồi lau khô để hơi nước dàn thành màng phẳng thay vì đọng giọt.
Vì sao rắc muối lên đá thì đá tan nhanh hơn?
Nước tinh khiết đông ở 0 độ C. Khi hoà muối vào, các ion muối chen vào giữa phân tử nước, cản trở chúng xếp thành tinh thể, nên nước muối phải lạnh hơn 0 độ C mới đông — nước muối đậm đặc giữ được thể lỏng tới khoảng âm 21 độ C. Rắc muối lên đá, lớp nước mỏng trên bề mặt hoà muối, điểm đông hạ xuống, đá ở 0 độ C không còn đủ lạnh để giữ thể rắn nên tan ra. Quá trình tan hút nhiệt từ xung quanh, làm hỗn hợp đá muối lạnh sâu hơn hẳn đá thường. Đây là cách làm kem tự chế không cần máy mà trẻ con rất thích:
- Trộn 250 ml sữa tươi, 2 thìa canh đường, vài giọt vani hoặc chút cacao vào một túi nilon có khoá kéo cỡ nhỏ, ép hết không khí rồi khoá chặt.
- Cho khoảng 2–3 bát đá viên vào túi nilon lớn hơn, rắc lên 5–6 thìa canh muối hạt.
- Đặt túi sữa vào giữa túi đá muối, khoá túi lớn lại, bọc thêm khăn cho tay đỡ buốt.
- Lắc và bóp đều trong 5–10 phút. Hỗn hợp đá muối xuống dưới âm 10 độ C, đủ làm sữa đông thành kem mềm.
- Lấy túi nhỏ ra, xả nước lạnh bên ngoài túi để muối không dính vào kem, rồi múc ra ăn ngay.
Ở các nước có tuyết, người ta rải muối lên đường để băng tan, tránh trơn trượt. Những thùng kem que ngày xưa cũng dùng đá trộn muối để giữ lạnh lâu. Hỗn hợp đá muối rất lạnh có thể gây bỏng lạnh nếu cầm tay trần quá lâu.
Vì sao quạt làm mát người nhưng không làm mát phòng?
Quạt không hạ nhiệt độ không khí. Quạt chỉ đẩy không khí chuyển động. Động cơ quạt còn toả một chút nhiệt, nên phòng đóng kín bật quạt cả ngày không mát hơn mà còn ấm lên rất nhẹ. Nhiệt kế đặt trước quạt vẫn chỉ đúng nhiệt độ phòng.
Người thấy mát nhờ mồ hôi bay hơi nhanh hơn. Da luôn có một lớp ẩm mỏng. Luồng gió thổi đi lớp không khí ẩm và ấm sát da, thay bằng không khí khô hơn, mồ hôi bay hơi nhanh và mang nhiệt đi. Gió cũng cuốn bớt hơi ấm toả ra từ cơ thể.
Vì vậy ra khỏi phòng thì tắt quạt. Quạt chạy trong phòng không người là phí điện, vì nó chỉ làm mát người chứ không làm mát căn phòng. Điều hoà thì khác: nó thật sự hút nhiệt trong phòng và thải ra ngoài.
Khi trời quá nóng, quạt có thể phản tác dụng. Khi nhiệt độ không khí vượt khoảng 35 độ C, nhất là lúc độ ẩm cao, gió quạt có thể thổi thêm hơi nóng vào người. Những ngày đó nên tìm chỗ mát hơn, đắp khăn ướt lên cổ, dùng điều hoà nếu có, đặc biệt với người già và trẻ nhỏ.
Mẹo cho quạt mát hơn. Buổi tối đặt quạt hướng ra cửa sổ để đẩy khí nóng trong phòng ra ngoài; hoặc đặt một chậu nước đá trước quạt cho gió đi qua — gió mát hơn chút ít ở khoảng gần, đổi lại độ ẩm tăng.
Vì sao ống hút trong cốc nước trông như bị gãy?
Ánh sáng đi trong nước chậm hơn trong không khí, chỉ khoảng ba phần tư tốc độ. Khi đi xiên qua mặt phân cách giữa nước và không khí, tia sáng bị bẻ hướng — hiện tượng khúc xạ. Mắt và não luôn mặc định ánh sáng đi thẳng, nên thấy phần ống hút dưới nước ở vị trí cao hơn và lệch so với thực tế, tạo cảm giác ống hút gãy ngay tại mặt nước.
Cũng vì khúc xạ, đáy bể bơi, đáy suối trông nông hơn thật: nước sâu khoảng 1,3 m nhìn thẳng xuống chỉ như sâu chừng 1 m. Trẻ em và người không biết bơi dễ bị đánh lừa, bước xuống chỗ tưởng nông rồi hụt chân. Người xiên cá cũng phải nhắm thấp hơn chỗ mắt thấy con cá.
Khúc xạ còn đứng sau nhiều thứ quen thuộc: kính lúp, kính cận, kính viễn đều là những mặt cong bẻ hướng ánh sáng; ảo ảnh vũng nước trên mặt đường nhựa giữa trưa là ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua lớp không khí nóng sát mặt đường. Thử ngay: đặt đồng xu vào đáy bát, lùi lại tới khi đồng xu vừa khuất sau mép bát, nhờ người rót nước vào từ từ — đồng xu sẽ hiện ra dù bạn không hề cử động.
Câu hỏi thường gặp
Nước nóng cho vào ngăn đá có đông nhanh hơn nước lạnh không?
Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Mpemba và đã được ghi nhận trong một số điều kiện: nước nóng bay hơi mất bớt khối lượng, đối lưu mạnh hơn, chứa ít khí hoà tan hơn. Nhưng các thí nghiệm kiểm soát chặt cho kết quả không nhất quán, nên đây chưa phải quy luật. Đừng đổ nước sôi vào ngăn đá vì tốn điện và làm ấm thực phẩm xung quanh.
Vì sao viên đá có phần lõi đục trắng?
Nước máy chứa khí hoà tan và khoáng chất. Khi đông từ ngoài vào, bọt khí và tạp chất bị dồn vào phần lõi đông sau cùng, tạo vùng đục. Muốn đá trong hơn, dùng nước đun sôi để nguội và cho đông chậm theo một chiều, ví dụ đặt khay đá trong hộp xốp mở nắp để nước đông dần từ trên xuống.
Vì sao đá để lâu trong ngăn đá bị nhỏ lại?
Đá thăng hoa: phân tử nước ở bề mặt chuyển thẳng từ thể rắn sang thể hơi mà không qua thể lỏng, nhất là trong tủ lạnh có quạt làm khô không khí. Đá viên để vài tuần sẽ teo lại và dễ ám mùi thực phẩm. Nên trữ đá trong túi kín và làm mẻ mới định kỳ.
Vì sao muối tan trong nước còn dầu thì không?
Phân tử nước có hai đầu tích điện trái dấu nhẹ, kéo các ion muối tách rời và bao quanh chúng. Dầu gồm các phân tử không phân cực, không bị nước hút, nên tách lớp và nổi lên vì nhẹ hơn. Nước rửa chén có phân tử một đầu ưa nước, một đầu ưa dầu, giúp dầu mỡ bị cuốn trôi.
Vì sao sờ vào kim loại thấy lạnh hơn gỗ dù cùng nhiệt độ phòng?
Kim loại dẫn nhiệt tốt, hút nhiệt từ tay bạn rất nhanh, nên da cảm thấy lạnh. Gỗ, vải dẫn nhiệt kém, nhiệt từ tay đi chậm, da ít mất nhiệt nên thấy ấm hơn. Thực ra hai vật cùng nhiệt độ, chỉ khác tốc độ lấy nhiệt từ cơ thể bạn.
Vì sao cho nồi canh còn nóng vào tủ lạnh lại tốn điện?
Tủ lạnh phải hút lượng nhiệt lớn từ nồi canh, máy nén chạy lâu hơn và thực phẩm xung quanh bị ấm lên. Nên để thức ăn nguội bớt ở nhiệt độ phòng, nhưng không quá 2 giờ, rồi chia vào hộp nhỏ, đậy kín và cho vào tủ để vừa an toàn vừa tiết kiệm điện.
