Những thí nghiệm đơn giản với nước sôi

48

Những thí nghiệm đơn giản với nước sôi

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
I. I. MAZIN

Một chiếc cốc rỗng, một chảo nước, một phích nước, một ấm đun nước, một cái bếp và… mong muốn - đó là tất cả những gì bạn có thể cần để tiến hành thí nghiệm.

Tại sao nước lại bị hút vào cốc?

Lấy một cái chảo bình thường và đổ một ít nước vào đó (cao 2-3 cm). Đặt một chiếc ly rỗng vào chảo, hướng từ dưới lên. Đặt chảo lên bếp, đun sôi nước và để lửa nhỏ trong năm phút. Bây giờ nó sẽ tắt ngói. Chẳng bao lâu bạn sẽ thấy nước bắt đầu bị hút vào ly, ngày càng dâng cao cho đến khi lấp đầy gần hết ly.

Hãy cố gắng tuân theo những gì chúng ta đã thấy.

Nguyên nhân nào khiến nước từ chảo dâng lên thành cốc? Rõ ràng là chỉ có áp suất khí quyển (áp suất không khí xung quanh) mới có thể làm được điều này. Điều này có nghĩa là áp suất không khí bên trong kính nhỏ hơn áp suất khí quyển. Bao lâu? Không khó để ước tính chênh lệch áp suất ($\Delta p$) bên ngoài và bên trong kính - nó chính xác bằng áp suất thủy tĩnh của nước trong kính sau khi hoàn thành thí nghiệm. Giả sử chiều cao của mực nước ngầm là $h \approx 10$ cm, mật độ của nước là $\rho = 10^3$ kg/m$^3$, gia tốc rơi tự do là $g = 10$ m/s$^2$, khi đó

$$\Delta p = \rho gh \approx 10^3 \text{ Pa} \approx 0.01 \text{ atm.}$$

Tại sao áp suất không khí bên trong kính nhỏ hơn áp suất khí quyển? Ý nghĩ đầu tiên xuất hiện trong đầu: khi nước sôi, không khí trong thủy tinh nóng lên, nở ra và thoát ra một phần (thực sự, nếu nhìn kỹ, bạn có thể thấy bong bóng thoát ra -

49

ki). Khi không khí còn lại nguội đi, sau khi tắt gạch, nó sẽ lại bị thổi bay và khoảng trống sẽ được lấp đầy bằng nước. Hãy tính hiệu ứng này.

Gọi thể tích của cốc là $V=200$ cm$^3$, nhiệt độ ban đầu (trước khi đun nóng) $T_1=300$ K, nhiệt độ cuối cùng $T_2=373$ K. Gọi áp suất khí quyển là $p=1$att≈$10^5$ Pa. Từ phương trình Mendeleev-Clapeyron, chúng ta tìm thấy lượng không khí còn lại trong cốc:

$$pV = \frac{m_1}{M}RT_1,$$

$$pV = \frac{m_2}{M}RT_2,$$

Ở đâu

$$\frac{m_2}{m_1} = \frac{T_1}{T_2} \approx 0.8.$$

Như vậy, sau khi làm lạnh không khí nóng về nhiệt độ ban đầu, nó sẽ chiếm khoảng 80%, và nước dâng lên sẽ chiếm 20% thể tích còn lại của kính. Nhưng chúng tôi thấy nước lấp đầy một nửa lớn chiếc ly! Điều này có nghĩa là chúng tôi chỉ giải thích được một phần ba hiệu ứng. Nếu chúng ta cũng tính đến việc nước dâng lên chỉ diễn ra trong vài giây theo đúng nghĩa đen và trong thời gian này không khí không thể có thời gian để hạ nhiệt xuống nhiệt độ phòng, thì chúng ta buộc phải từ bỏ hoàn toàn lời giải thích được đề xuất.

Đâu là lỗi trong lý luận của chúng ta? Có lẽ chúng ta đã nhầm lẫn khi tin rằng thủy tinh chỉ chứa không khí mà quên mất hơi nước. Nhưng trong năm phút nước sôi nhanh, hơi nước liên tục xâm nhập vào thủy tinh, trộn lẫn với không khí và cố gắng đẩy nó ra. Có thể nói rằng tại thời điểm chúng ta tắt bếp, bên trong cốc chủ yếu không có không khí mà là hơi nước và ở trạng thái bão hòa. Khi nó còn lại, áp suất hơi bão hòa giảm và rất mạnh (xem hình). Để áp suất giảm 0,01 atm, chỉ cần làm mát hơi nước 0,3 độ là đủ. Rõ ràng là việc làm mát như vậy có thể xảy ra gần như ngay lập tức.

Hơn nữa, theo kinh nghiệm cho thấy, nếu nước đun sôi đủ lâu thì sau khi nguội, nước sẽ đầy gần như toàn bộ ly. Về cơ bản không có hạn chế nào về chiều cao của cột nước - xét cho cùng, áp suất 1 atm được tạo ra bởi cột nước cao 10 m.

Câu hỏi đặt ra: liệu lượng nước cần thiết có thời gian bay hơi trong 5 phút không? Hãy thử trả lời. Tất nhiên, tốc độ bay hơi phụ thuộc vào công suất của bếp, kích thước của chảo,… nên chúng ta sẽ sử dụng những con số cụ thể thu được theo kinh nghiệm. Trong trường hợp của chúng tôi, chỉ có một lớp nước dày 1 cm bay hơi khỏi chảo trong khoảng 30 phút. Sau đó, trong 5 phút, $m \approx 3$ g nước sẽ bay hơi khỏi diện tích kính ≈20 cm$^2$. Ở nhiệt độ $T=373$ K và áp suất $p=1$ atm, khối lượng hơi bão hòa cũng sẽ chiếm thể tích

$$V = \frac{m}{M}RT_p \approx 5 \text{ л!}$$

Vì vậy, nếu chúng ta giả sử rằng hơi nước được trộn đều từ không khí, thì hóa ra khi kết thúc thí nghiệm, chỉ $(0,2 \text{ л}/5 \text{ л}) \cdot 100 \% = 4 \%$ thể tích của ly sẽ chứa đầy khí và 96% còn lại sẽ chứa đầy nước. Và một kết quả như vậy thực sự có thể được quan sát thấy.