HỎI. Tôi đang lơ đễnh khuấy một tách trà thì nảy ra ý nghĩ, “không phải mình đang thêm động năng cho cốc trà này sao?” Tôi biết là khuấy sẽ làm cốc trà nguội đi, nhưng nếu tôi khuấy nhanh hơn thì sao? Liệu tôi có thể làm sôi cốc trà nếu chỉ khuấy như vậy không?
— Will Evans
ĐÁP. Không.
Ý tưởng cơ bản là không sai. Nhiệt chỉ là một dạng động năng. Khi bạn khuấy trà, tức là bạn đang tiếp thêm động năng cho nó, và năng lượng đó lại chuyển đi đâu đó. Vì trà không thể nào bay lên hay phát sáng, năng lượng chắc chắn phải chuyển thành nhiệt.
Tôi có đang pha trà sai cách?
Lý do bạn không để ý thấy lượng nhiệt này là vì bạn chưa cung cấp đủ nhiều nhiệt. Phải cần đến một lượng nhiệt rất lớn để làm nóng nước và nước có nhiệt dung lớn hơn nhiều các chất phổ biến khác tính theo thể tích.[1]
Nếu bạn muốn làm nóng nước ở nhiệt độ phòng lên gần đến nhiệt độ sôi trong vòng 2 phút, bạn sẽ cần rất nhiều công suất:[2]
Công thức của chúng ta chỉ ra rằng nếu muốn có được một cốc nước nóng trong 2 phút, chúng ta sẽ cần tới công suất 700 watt. Nếu một lò vi sóng thông thường hoạt động ở công suất 700-1100 watt, nó sẽ phải mất khoảng hai phút để đun nóng một cốc nước đến mức có thể pha trà được. Thật tuyệt khi vấn đề được giải quyết![3]
Dùng lò vi sóng công suất 700 watt đun nóng một cốc nước trong 2 phút là đã cung cấp một năng lượng khổng lồ cho nước. Khi nước đổ xuống từ thác Niagara, nó thu động năng, động năng ấy sẽ chuyển thành nhiệt ở chân thác. Nhưng kể cả sau khi đổ xuống từ độ cao rất lớn như vậy, nhiệt độ của nước chỉ tăng lên một phần rất nhỏ của một độ.[4] Để đun sôi một cốc nước, bạn sẽ phải ném nó xuống từ độ cao còn cao hơn cả rìa ngoài bầu khí quyển.
Vận động viên người Anh Felix Baumgartner
Khuấy nước thì khác gì với đun nó bằng lò vi sóng?
Dựa trên số liệu từ các báo cáo kỹ thuật của máy khuấy công nghiệp, tôi ước tính rằng dù có khuấy thật mạnh một cốc trà cũng chỉ làm nóng nó với công suất khoảng mười phần triệu watt. Bấy nhiêu đó chẳng thấm vào đâu.
Hiệu ứng vật lý của việc khuấy thực ra có phức tạp đôi chút.[5] Hầu hết nhiệt sẽ bị đem ra khỏi cốc trà vì không khí đối lưu phía trên nó, vì vậy chúng sẽ nguội dần từ trên xuống. Việc khuấy sẽ làm nước mới nóng từ trong lòng cốc chuyển động lên trên, vậy nên nó sẽ giúp ích cho quá trình này. Nhưng vẫn còn những điều khác diễn ra như: khuấy làm nhiễu động không khí xung quanh, và làm nóng thành cốc. Thật khó đoán chắc điều gì đang thực sự diễn ra khi ta không có dữ liệu.
May thay, chúng ta còn có Internet. Thành viên Stack Exchange drhodes tính được tốc độ nguội đi của cốc trà khi khuấy, không khuấy, nhúng liên tục một chiếc thìa vào cốc và khi nâng cốc lên. Thật hữu ích là, drhodes đã đăng tải cả những biểu đồ có độ phân giải cao và cả những dữ liệu thô, còn đầy đủ hơn so với nhiều bài báo đăng trên các tạp chí khoa học.
Kết luận: việc bạn khuấy, nhúng hay không làm gì cả với cốc trà thực sự không mấy quan trọng, trà vẫn nguội đi với tốc độ tương tự nhau (dù nhấn thìa vào và ra khỏi cốc trà khiến nó nguội đi nhanh hơn chút ít).
Điều đó đưa chúng ta trở lại câu hỏi ban đầu: Bạn có thể làm sôi nước trà nếu khuấy nó đủ mạnh?
Không thể.
Vấn đề tiên quyết là công suất. Công suất tổng cho câu hỏi này tính ra được là 700 watt, xấp xỉ một mã lực, nghĩa là nếu muốn làm sôi cốc trà trong hai phút, bạn sẽ cần ít nhất một con ngựa để có đủ lực khuấy nó.
Bạn có thể giảm công suất làm nóng cần thiết bằng cách kéo dài thời gian khuấy, nhưng nếu khuấy quá lâu trà sẽ nguội đi cũng nhanh như bạn làm nóng nó vậy.
Thậm chí nếu bạn có thể dùng lực rất mạnh để khuấy tung cốc nước – hàng vạn lần khuấy mỗi giây – thì những hiệu ứng thủy động lực học sẽ xuất hiện. Ở tốc độ lớn như vậy, trà sủi bong bóng, một vùng chân không sẽ hình thành dọc chiếc thìa và việc khuấy sẽ trở nên kém hiệu quả.[6]
Và nếu bạn khuấy mạnh đến mức trà sủi bong bóng, diện tích bề mặt tăng lên vùn vụt và nó sẽ nguội xuống nhiệt độ phòng chỉ trong tích tắc.
Dù bạn có cố khuấy cốc trà nhanh đến mấy, nó cũng sẽ không thể nóng lên chút nào đâu.
❀ ❀ ❀
[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.
[2] Trong phim Star Wars, con tàu Death Star bắn một chùm tia phá hủy toàn bộ Alderaan chỉ trong một phần tí teo của giây. (ND)
[3] Một khẩu súng vạn năng, không thể bị phá hủy nhưng ta có thể nắm giữ mà không lo cánh tay bị xé nát. Đừng lo lắng, chuyện đó sau này sẽ xảy ra ngay!
[4] …trừ phi Kyp Durron sử dụng Thần lực để lôi nó lên.
[5] Nguyên văn: Tickling the dragon’s tail.
[6] Khi kéo tay ra, hãy để ý đến những triệu chứng của bệnh giảm áp suất do các bọt nitơ trong mạch máu ở tay.
