nghiệp cử nhân vật lí ở MIT và tiến sĩ vật lí ở trường đại học tổng hợp Maryland. Từ 1977 – 1990 ông hướng dẫn “các nhà khoa học nghiệp dư” khoa học Mĩ. Cuốn sách của ông Xiếc bay vật lí với các câu hỏi đã được xuất bản bằng 10 thứ tiếng.
Nước sôi như thế nào ! Đó là đều thường gặp quá nên có lẽ bạn chẳng hề chú ý chút nào đến những tính chất lạ lùng của nó. Một số tính chất của nó rất quan trong trong các ứng dụng công nghiệp, trong khi đó một số tính chất khác lại được dùng là cơ sở cho những ảo thuật nguy hiểm thực hiện bởi các người liều lĩnh trong các buổi trình diễn ở các lễ hội hóa trang.
Cho nước vào xoong và đun nóng từ phía dưới bằng một ngọn lửa hay một bếp điện. Khi nước ấm, các phân tử không khí hòa tan trong nước bị đẩy khỏi nước, tụ tập thành các bọt nhỏ theo các đường sước ở đáy xoong. Các bọt khí phồng dần lên, tách khỏi các đường sước ở đáy xoong và nổi lên mặt nước. Chúng vừa tách ra, thì có bọt khác lại được tạo thành ở vết sước và tách ra cho tới khi nào lượng không khí hòa tan trong nước bị rút hết. Sự tạo thành các bọt khí chỉ là dấu hiệu mới bị nung nóng chứ không hề dính dáng gì đến sự sôi. Nước để phô trực tiếp ra áp suất khí quyển sẽ sôi ở một nhiệt độ nào đó mà thỉnh thoảng ta vẫn gọi là nhiệt độ sôi chuẩn Ts. Thí dụ Ts vào khoảng 1000C khi áp suất khí quển là 1,00 at. Vì nước ở đáy xoong không trực tiếp tiếp xúc với khí quyển nên nó giữ nguyên ở thể lỏng ngay cả khi nhiệt độ của nó quá nhiệt cao hơn Ts một vài độ. Trong suốt quá trình đó nước liên tục được trộn lẫn do đối lưu làm nước nóng sôi lên, nước lạnh chìm xuống.
Nếu bạn tiếp tục làm tăng nhiệt độ xoong thì lớp nước ở đáy bắt đầu bay hơi, các phân tử nước tập hợp trong những bọt hơi nhỏ trong các đường sước lúc này khô, giai đoạn này sự sôi thể hiện ở những tiếng “bục” reo có thể “sùng sục”. Nước hầu như reo lên sự không hài lòng vì bị nung nóng. Mỗi khi bọt hơi nước dãn lên phía trên trong vùng nước lạnh hơn chút xíu, bọt hơi bất thình lình xẹp xuống vì hơi trong nó bị ngưng tụ. Mỗi lần xẹp lại phát ra âm thanh chính là tiếng réo mà bạn nghe thấy. Khi nhiệt độ cả khối nước tăng lên, những bọt này có thể không xẹp đến khi bức khỏi đường sước ở đáy nồi và lên được một phần tới mặt nước. Giai đoạn này của sự sôi được đặt tên là “bọt hơi nước cô lập” trong hình 1.
Nếu bạn tiếp tục tăng nhiệt độ của xoong lên nữa, tiếng reo của các bọt bị vỡ (xẹp) lúc đầu nghe to hơn sau mất hẳn. Tiếng reo này sẽ bé đi khi cả khối lỏng đủ nóng để những bọt hơi đạt tới mặt nước, ở đây chúng vỡ ra làm tóe nước chút ít. Nước bây giờ hoàn toàn sôi.
Nếu nguồn nhiệt của bạn là một bếp lò thì câu chuyện có thể dừng lại ở đây. Tuy nhiên với lò của phòng thí nghiệm, bạn có thể tăng tiếp tục nhiệt độ của xoong. Những bọt hơi tiếp tục trở nên nhiều và rời khỏi các đường sước nhiều hơn đến nỗi chúng dính với nhau tạo thành một cột hơi vùng vẫy hỗn độn và mãnh liệt lên phía trên, thỉnh thoảng gặp những “đám” hơi đã thoát ra từ trước.
Sự sản sinh ra các bọt và cột hơi được gọi là sôi theo tâm vì việc tạo thành và lớn lên của các bọt khí tùy thuộc vào các đường sước ở đáy xoong dùng làm tâm sôi (nơi hình thành bọt). Khi bạn tăng nhiệt độ của xoong tốc độ truyền nhiệt cho nước tăng. Nếu bạn tiếp tục nâng nhiệt độ của xoong quá giai đoạn tạo thành cột và đám thì sự sôi sẽ chuyển sang một giai đoạn mới gọi là chế độ chuyển tiếp. Tiếp theo đó là nếu tăng nhiệt độ của xoong lại làm giảm tốc độ truyền nhiệt cho nước. Sự giảm này không phải là nghịch lí. Trong chế độ chuyển tiếp phần lớn đáy xoong bị bao phủ bởi một lớp hơi. Vì hơi nước dẫn nhiệt kém hơn độ dẫn nhiệt của nước khoảng một bậc, nên sự truyền nhiệt cho nước bị giảm đi. Xoong càng nóng hơn sự tiếp xúc trực tiếp giữa nước và đáy xoong càng giảm và sự truyền nhiệt kượng càng kém. Tình huống này có thể nguy hiểm trong một bình trao đổi nhiệt, có nhiệm vụ chuyển nhiệt từ một vật nóng. Nếu nước trong bình trao đổi nhiệt này được để chuyển sang chế độ chuyển tiếp thì vật có thể bị đun quá nhiệt tới mức bị phá huỷ vì sự truyền nhiệt lượng thoát ra từ nó bị giảm. Giả thiết rằng bạn tiếp tục nâng nhiệt độ của xoong lên nữa. Cuối cùng thì toàn bộ đáy xoong bị phủ bởi một lớp hơi nước – và nhiệt lượng chuyển chậm chạp cho nước phía trên do bức xạ và do dẫn nhiệt dần dần. Giai đoạn này gọi là “sự sôi màng”.
Dầu bạn không thể thu được sự sôi màng trong chiếc xoong đựng nước phía trên bếp lò nhưng nó rất thường thấy trong bếp. Bà tôi một lần đã trình diễn sử dụng nó như thế nào để biết khi nào chảo của bà đủ nóng để làm bánh sữa. Sau khi người nung nóng cái chảo không một lúc, người vẩy vào chảo vài giọt nước. Những giọt nước này sèo sèo và biến đi trong vài giây. Sự biến mất nhanh của chúng chứng tỏ cho bà tôi biết chảo chứa đủ nóng để làm bánh sữa. Sau khi đun chảo thêm một lúc, người lập lại cách thử trên nhưng cho nhiều nước hơn một chút, lần này các giọt nước gộp lại với nhau, nhảy trên kim loại, kéo dài hàng phút trước khi chúng biến mất. Chảo bây giờ mới đủ nóng để làm bánh sữa.
Để nghiên cứu sự trình diễn của người, tôi chuẩn bị một tấm kim loại phẳng để nung cái bếp ở phòng thí nghiệm. Trong khi điều khiển nhiệt độ của tấm với một cặp
nhiệt điện, tôi cẩn thận nhỏ một giọt nước cất từ một ống tiêm trên tấm. Giọt nước rơi vào vết lõm do tôi tạo ra trên một tấm bằng búa bi, ống tiêm cho phép nhỏ các giọt nước như nhau. Mỗi lần nhỏ một giọt nước, tôi lại đếm thời gian nó tồn tại trên tấm. Sau đó tôi vẽ đồ thị thời gian tồn tại của giọt theo nhiệt độ tấm (h-2).
Đồ thị có một đỉnh lạ lùng. Khi mhiệt độ của tấm ở giữa 100 và chừng 2000C, mỗi giọt nước trải ra trên mặt tấm thành một lớp mỏng và bay hơi rất nhanh. Khi nhiệt độ khoảng 2000C thì giọt nước nhỏ trên tấm gộp lại và tồn tại tới hàng phút. Khi nhiệt độ tấm cao hơn nữa các giọt nước gộp lại và không tồn tại lâu như vậy. Thí nhiệm tương tự như nước máy thì cho đồ thị có một đỉnh tù hơn, có lẽ do những hạt bụi lơ lửng trong giọt nước phá thủng lớp hơi nước, dẫn nhiệt vào trong giọt nước.
Sự kiện giọt nước tồn tại lâu khi nhỏ trên kim loại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nước lần đầu tiên do Hermann Boerhaave phát hiện năm 1732. Nó không được nghiên cứu nhiều cho đến năm 1756, khi Johann Gottlieb Leidenfrot công bố :
“Bàn về một số tính chất của nước thường”. Vì công trình của Leidenfrot mãi đến năm 1965 vẫn không được dịch từ tiếng Latinh nên vẫn chưa chắc được nhiều người đọc. Tuy nhiên tên của ông ngày nay gắn với hiện tượng này. Hơn nữa, nhiệt độ ứng với đỉnh của đồ thị như tôi đã làm gọi là điểm Leidenfrot.
Leidenfrot tiến hành thí nghiệm của mình bằng một thìa sắt nung đỏ trên lửa của một lò sưởi. Sau khi nhỏ một giọt nước vào thìa ông đếm thời gian tồn tại theo nhịp con lắc. Ông nhận thấy rằng có vẻ như nước rút ánh sáng và nhiệt từ chiếc thìa để lại một vết sẫm hơn so với phần còn lại của chiếc thìa. Giọt thứ nhất ở trên thìa kéo dài 30s, trong khi giọt tiếp theo kéo dài chỉ 10s và những giọt nước tiếp theo chỉ kéo dài vài giây.
Leidenfrot đã hiểu sai sự chứng minh của mình vì ông không nhận thức được rằng giọt nước kéo dài lâu hơn là sự sôi thực sự. Tôi giải thích theo thí nghiệm của tôi. Khi nhiệt độ của tấm kim loại thấp hơn điểm Leidenfrot, nước trải ra trên tấm và dẫn nhiệt nhanh ra khỏi nó làm cho nó bay hơi hoàn toàn trong vài giây. Khi nhiệt độ bằng hoặc ao hơn điểm Leidenfrot, mặt dưới của giọt nước nhỏ trên tấm hầu như bị bay hơi tức khắc, áp suất của khí trong lớp hơi này ngăn cản phần còn lại của giọt nước, không cho nó tiếp xúc với tấm (h-3). Lớp này vì vậy che chở và đỡ lấy giọt nước ở phút sau. Lớp này luôn được bổ sung nhờ nước bốc hơi thêm từ mặt dưới của giọt nước do bức xạ và dẫn nhiệt qua lớp đó từ tấm kim loại. Tuy lớp có chiều dày bé hơn 0,1mm ở gần biên giới phía ngoài và khoảng 0,2mm ở tâm, nó vẫn làm chậm đáng kể quá trình bay hơi của nước.
Sau khi đọc bản dịch công trình nghiên cứu của Leidenfrot, tôi chợt nhớ tới bài mô tả về xảo thuật kì lạ đã được thực hiện trong quá trình vào dịp hội hóa trang vào đầu thế kỷ. Theo người mô tả, người trình diễn có thể nhúng ngón tay ướt của mình vào chì nóng chảy. Giả thuyết rằng xảo thuật không có một chút thủ đoạn quỷ quyệt nào, tôi phỏng đoán điều này phải liên quan đến hiệu ứng Leidenfrot. Ngay khi ngón tay của người trình diễn chạm vào kim loại bỏng nóng chảy thì một phần hơi nước bốc hơi bao phủ ngón tay bằng một lớp hơi nước. Nếu nhúng rất nhanh, thì da thịt sẽ không bị nóng đáng kể.
Tôi không thể cưỡng lại ý định thử nghiệm cách giải thích của tôi. Bằng chiếc lò của phòng thí nghệm tôi đun chảy một thỏi chì trong một chén nung. Tôi đun nóng chì tới nhệt độ trên 4000C, cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó là 3280C. Sau khi
dùng nước máy làm ướt tay, tôi chuẩn bị sờ vào mặt trên của chì nóng chảy. Tôi phải thú nhận rằng tôi có một trợ lí đứng sẵn sàng với các dụng cụ sơ cứu. Tôi cũng phải thú nhận rằng trong vài lần thử nghiệm đã thất bại vì óc tôi không cho phép làm thí nghiệm nực cười nên luôn hướng ngón tay tôi trệch khỏi chì nóng chảy.
Cuối cùng khi tôi đã thắng mọi sự sợ hãi và chạm rất nhanh vào chì, tôi đã kinh ngạc. Tôi cảm thấy không nóng. Đúng như tôi đoán, một phần nước trên ngón tay đã bốc hơi, tạo một lớp bảo vệ. Vì sự tiếp xúc ngắn nên sự bức xạ và dẫn nhiệt qua lớp hơi không đủ để nâng nhiệt độ da thịt của tôi lên một cách đáng kể hơn. Sau khi làm ướt bàn tay, tôi nhúng tất cả các ngón tay vào trong chì cho chạm đáy nồi đun (xem ảnh). Sự tiếp xúc với chì vẫn còn quá ngắn để có thể làm bỏng tay. Rõ ràng là, hiệu ứng Leidenfrot, hay nói chính xác hơn, sự có mặt ngay lập tức của sự sôi màng, bảo vệ ngón tay của tôi.
Tôi hãy còn boăn khoăn vì sự giải thích của mình. Liệu tôi có thể cho ngón tay khô vào chì mà không bị bỏng không ? Vứt bỏ mọi suy nghĩ hợp lí, tôi thử luôn, lập tức nhận ra sự điên rồ của tôi khi vết đau lan nhanh qua ngón tay. Sau đó tôi thử với con Weiner khô nhúng nó vào trong chì nóng chảy trong vài giây. Da của con Weiner bị đen đi rất nhanh. Nó không được bảo vệ bởi sự sôi màng giống như ngón tay khô của tôi.
Tôi phải lưu ý rằng, nhúng ngón tay vào chì nóng chảy có một số nguy hiểm thực sự. Nếu chì chỉ nóng hơi cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó thì khi nước bốc hơi sự mất nhiệt do nó sinh ra có thể làm đông đặc chì quanh ngón tay. Nếu tôi kéo tay ra với cái bao tay bằng chì bị nóng cứng đó từ thùng chứa thì nó sẽ tiếp xúc với ngón tay tôi một thời gian lâu, hoàn toàn làm cho ngón tay của tôi bỏng nặng. Tôi cũng đương đầu với khả năng chì bắn kên hoặc đổ ra. Thêm vào đó có một nguy hiểm lớn nữa là có quá nhiều nước trên ngón tay. Khi có quá nhiều nước bốc hơi nhanh chóng, hơi nước có thể thổi chì nóng chảy ra xung quanh và nghiêm trọng nhất là vào mắt. Tôi đã mang bao tay và trên mặt các vết sẹo từ các sự bốc hơi nổ như vậy. Bạn chẳng bao giờ nên lặp lại sự trình diễn đó làm gì. Sự sôi màng cũng có thể thấy khi nitơ lỏng bị đổ ra. Những giọt và quả cầu bị hợp lại với nhau khi chúng trượt trên sàn, chất lỏng ở nhiệt độ khoảng –2000C. Khi chất lỏng bị đổ ra tiếp xúc với sàn thì mặt dưới của chất lỏng tồn tại một thời gian đáng kinh ngạc.
Tôi đã được nghe kể về một xảo thuật ở đó người trình diễn rót nitơ lỏng vào mồm mà không bị bỏng vì nhiệt độ quá thấp. Chất lỏng lập tức sôi màng trên mặt dưới của nó, và như vậy không trực tiếp tiếp xúc với mồm. Cũng lại điên rồ, tôi lặp lại trình diễn này. Hàng mấy chục lần, xảo thuật tiến hành yên ổn và hấp dẫn. Với một quả cầu lớn nitơ trong mồm, tôi tập trung không nuốt khi tôi thở ra. Độ ẩm trong hơi thở lạnh của tôi ngưng tụ lại tạo thành một đám lông tơ khủng khiếp và kéo dài hàng mét từ mồm tôi. Tuy nhiên trong lần thử cuối cùng của tôi, chất lỏng đã làm hai trong các răng cửa của tôi co lại vì lạnh, nghiêm trọng tới mức men răng bị nứt như những đường đi trên bản đồ. Nha sĩ của tôi thuyết phục tôi ngừng trình diễn này.
Hiệu ứng Leidenfrot cũng có thể đóng một vai trò trong một trình diễn điên rồ khó khăn khác : đó là đi bộ trên than hồng. Lúc bấy giờ các phương tiện thông tin đại chúng thông báo về một người trình diễn đi bộ qua than hồng vói khá nhiều bí ẩn và kích động vô nghĩa, chẳng hạn nói rằng sự bảo vệ khỏi bị cháy bỏng là do “ý chí thắng vật chất” mang lại. Thực tế chính vật lí bảo vệ bàn chân, khi cuộc chơi có hiệu quả. Sự kiện đặc biệt quan trọng là mặc dầu bề mặt của than là hoàn toàn nóng, nó
lại chứa ít năng lượng một cách đáng ngạc nhiên. Nếu người trình diễn đi bộ với các bước đi vừa phải thì thời gian chân tiếp xúc ngắn đến mức chân chỉ được dẫn một nhiệt lượng nhỏ từ than. Dĩ nhiên, đi bộ châm hơn dễ bị bỏng vì tiếp xúc lâu hơn cho phép nhiệt lượng dẫn tới bàn chân cả từ lớp bên trong của than.
Nếu chân được làm ẩm từ trước khi đi bộ, chất lỏng có thể cũng giúp bảo vệ chúng. Để làm ướt chân, người trình diễn có thể bước ra cỏ ướt ngay trước khi bước lên than hồng. Cũng có thể chân dẫm mồ hôi do nhiệt lượng của than hoăc do sự kích thích của buổi trình diễn. Khi mà người trình diễn ở trên than, một số nhiệt luợng làm bay hơi chất lỏng trên chân, để nhiệt lượng được dẫn tới da thịt ít hơn. Thêm vào đó, có thể các điểm tiếp xúc mà tại đó chất lỏng bị sôi màng, vì thế tạo nên sự bảo vệ ngắn khỏi than.
Tôi cũng đã đi bộ trên than hồng năm lần. Trong bốn lần đi như thế tôi khá sợ đến nỗi chân tôi đổ mồ hôi. Tuy nhiên trong lần đi bộ thứ năm, tôi cẩn thận để chắc rằng chân tôi khô. Những vết bỏng tôi chịu đựng làm đau dữ dội và mạnh mẽ. Chân tôi không lành trong nhiều tuần lễ.
Thất bại của tôi có thể là do không có sự sôi màng trên chân, nhưng tôi cũng là