Nóng hay lạnh – những điều có thể bạn chưa biết

Nóng và lạnh là hai trong những thứ cơ bản nhất mà chúng ta từng trải nghiệm trong cuộc sống – nhưng bạn có biết, chỉ một trong hai cảm giác đó thật sự tồn tại mà thôi.

Nhận thêm nhiệt – khoảng 16 triệu độ Kelvin – và các chất khí trên mặt trời chuyển thành plasma. (Ảnh: Hinode JAXA/NASA)

Bạn không cần phải sống ở Australia hay châu Phi để biết thế nào là nóng bức. Nó là năng lượng thuần túy, và khi bạn muốn làm cho cái gì đó nóng lên, bạn chỉ việc thêm năng lượng vào chúng.

Nhưng chẳng có cái gì lạnh cả: lạnh chỉ một sự thiếu nhiệt mà thôi. Cho nên, khi bạn làm một cái gì đó lạnh đí, bạn chẳng thêm lạnh vào cho nó, mà bạn đang lấy nhiệt ra khỏi nó.

Đó là nguyên lí hoạt động của tủ lạnh – chúng rút nhiệt ra khỏi thực phẩm và tống chúng ra ngoài phía sau tủ. Nhiệt liên tục di chuyển từ những vật nóng hơn sang những vật lạnh hơn, và điều đó sẽ vẫn diễn ra cho đến khi mọi thứ trong vũ trụ là một khối băng giá có nhiệt độ bằng nhau hết.

Không có giới hạn trên cho độ nóng mà mọi vật có thể đạt tới, nhưng cho dù bạn là ai và bạn đang ở đâu, không gì có thể lạnh hơn -273 ° C. Để tìm hiểu nguyên do, bạn cần biết xem cái gì thật sự xảy ra khi mọi thứ nóng lên hoặc “không nóng lên”.

Các nguyên tử bên trong các chất rắn như đá chẳng hạn bị khóa tại chỗ nên khó di chuyển ở nhiệt độ phòng. (iStockphoto)

Cái gì xảy ra khi mọi thứ nóng lên

Khi bạn thêm nhiệt vào cái gì đó là bạn cấp thêm năng lượng cho các nguyên tử của nó. Các nguyên tử không có pin nguồn hay bộ phận nào tương ứng như vậy, nên chúng không thể dự trữ phần năng lượng thêm vào. Mọi thứ chúng có thể là sử dụng nó để tiến thẳng tới. Và chúng dùng nó để chuyển động. Nếu bạn cấp cho chúng thêm một ít năng lượng, thì chúng dao động nhanh hơn một chút. Cho chúng nhiều năng lượng thì chúng thật sự được giải phóng.

Nghe thì có vẻ không giống lắm, nhưng chuyển động ở cấp độ nguyên tử là cái làm cho các chất rắn tan chảy, và chất lỏng bay hơi.

Các nguyên tử sử dụng năng lượng từ nhiệt cung cấp để vượt qua một trong thực tế không thể phủ nhận của cuộc sống: chúng đều bị hút lẫn nhau. Không phải loại lực hút mạnh dẫn tới các liên kết hóa học, giống như liên kết giữa các nguyên tử hydrogen và oxygen trong nước. Nó giống với một loại lực hút thoáng qua hơn.

Lực hút đó có nguồn gốc từ các lực Van der Waals tồn tại giữa mọi nguyên tử và phân tử. Và cách duy nhất để thắng chúng là sử dụng năng lượng.

Ngay cả trong mùa đông Nam cực lạnh lẽo nhất, các phân tử vẫn có đủ năng lượng để chuyển động. (iStockphoto)

Một lực phổ biến trong vạn vật

Các nguyên tử không có đủ năng lượng để thắng các lực Van der Waals giữa chúng đi đến co cụm lại với nhau và bị khóa trong không gian. Và đó chính là cái bạn thấy nếu bạn có thể trông vào các nguyên tử trong bất kì chuyển động nào như một hòn đá, một miếng kim loại hay một miếng nước đá. Chúng bị khóa chân tại chỗ với không gian di chuyển rất chật chội. Nhưng không hoàn toàn giẫm chân tại chỗ, vì ngay cả trong mùa đông Nam Cực băng giá nhất, các nguyên tử vẫn có đủ năng lượng để làm cho chúng dao động và ngúc ngoắc.

Nếu bạn làm một chất rắn nóng lên, các nguyên tử của nó dao động rộng hơn một chút. Chúng vẫn bị khóa tại chỗ của chúng, nhưng lúc lắc càng lúc càng nhanh hơn cho đến khi nhiệt độ đạt tới điểm tan chảy của chúng. Nhiệt độ là một số đo xem các nguyên tử có bao nhiêu năng lượng để chuyển động ra xung quanh. Đó là động năng trung bình của chúng. Điểm nóng chảy của một chất là nhiệt độ ở đó các nguyên tử hay phân tử của nó có đủ năng lượng để dao động ra khỏi giàn khung rắn chắc của chúng.

Một khi chúng được giải phóng khỏi cấu trúc chất rắn của chúng, các nguyên tử có thể chuyển động tự do hơn nhiều – đó là nguyên do vì sao các chất lỏng tùy tiện hơn và kém trật tự hơn các chất rắn. Sự khác biệt duy nhất giữa chất rắn và chất lỏng là ở mức độ tự do mà các nguyên tử của chúng di chuyển. Và chúng biến đổi như thế nào trước lượng năng lượng nhiệt mà chúng hấp thụ từ môi trường xung quanh. Khi nhiệt bị lấy ra, chất lỏng của bạn sẽ sớm đông đặc trở lại thành dạng chất rắn của nó khi các nguyên tử không còn thoát khỏi lực hút Van der Waals nữa.

Nếu bạn cấp nhiệt cho một chất lỏng, năng lượng thêm vào làm cho các nguyên tử của nó chuyển động càng nhanh hơn, va chạm vào nhau mạnh hơn và thường xuyên hơn. Các phản ứng hóa học chỉ phục thuộc vào các nguyên tử và phân tử va chạm lên nhau, nên việc làm một chất lỏng nóng lên sẽ làm cho phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn.

Điểm nóng chảy là nhiệt độ tại đó các phân tử và nguyên tử được giải phóng khỏi cấu trúc rắn chắc của chúng. (iStockphoto)

‘Vận tốc thoát’ của hơi nước

Điểm sôi của một chất lỏng hơi giống với vận tốc thoát của một tên lửa – nó là nhiệt độ mà ở đó các nguyên tử hay phân tử có đủ năng lượng để hoàn toàn thoát khỏi sức hút lẫn nhau của chúng.

Các lực Van der Waals không còn địch nổi với một hạt có nhiều động năng – nó thoát ra ngoài. Đó là nguyên do vì sao chất khí hòa trộn vào nhau một cách dễ dàng: chúng choán đầy bất cứ hình dạng gì, và chúng phân tán rộng khắp cho đến khi chúng có mặt ở mọi nơi.

Không có giới hạn trên đối với nhiệt độ, cho nên bạn có thể làm nóng một chất khí lên mãi mãi. Nhưng cuối cùng nó sẽ đạt tới một điểm tại đó động năng của nó lớn đến mức nó thật sự xé toạc các phân tử ra và sau đó xé toạc các electron ra khỏi từng nguyên tử. Đó là một plasma – một phiên bản tích điện năng lượng cao của chất khí gây ra ánh sáng chói chang ở những ngôi sao, tia sét và chất khí nằm giữa các bản thủy tinh ở màn hình ti vi plasma.ư

Tại điểm sôi, các phân tử và nguyên tử thoát khỏi lực hút lẫn nhau của chúng và các chất lỏng trở thành chất khí. (iStockphoto)

Lạnh quá!

Trong khi không có giới hạn trên nào đối với nhiệt độ, thì có một điểm dừng rất xác định trong thế giới lạnh lẽo. Nhiệt độ tại đó mọi nguyên tử trong vũ trụ dừng bước hành trình của nó được gọi là độ không tuyệt đối, và nó sẽ xảy ra ở -273.15 ° C.

Tại nhiệt độ này, động năng của mỗi nguyên tử trong vũ trụ sẽ bằng không. Sẽ không còn có dấu hiệu nhỏ nhoi nhất nào của một sự lúc lắc. Mọi thứ sẽ dừng lại. Không có phản ứng hóa học nào nữa vì các nguyên tử sẽ không có năng lượng để co cụm với nhau làm cho chúng xảy ra. Không còn có chuyển động nữa, và không có chất lỏng hay chất khí vì mỗi nguyên tử sẽ bị khóa chặt tại chỗ cố định của nó.

Thật may cho mọi thứ là tự nhiên chẳng thể ở trạng thái không năng lượng không chuyển động, chúng ta sẽ không bao giờ đạt tới không độ tuyệt đối.

Vì nhiệt luôn luôn chảy từ nơi nóng hơn sang nơi lạnh hơn, nên bạn phải lấy hết nhiệt ra khỏi toàn bộ vũ trụ để làm cho thậm chí một phần nhỏ bé của nó lạnh xuống tới  -273.15 ° C.

Theo abc.net.au