Con người khi trời lạnh thì muốn ấm, trời nóng lại muốn mát. Lý do cho sự trái ngược này là vì chúng ta là loài động vật máu nóng, để có thể tồn tại được thì nhiệt độ cơ thể luôn phải dao động trong khoảng 37°C. Bình giữ nhiệt cũng giống như con người vậy: giúp giữ cho nhiệt độ nước trong bình luôn ở mức cần thiết. Nếu ta đổ nước nóng vào, bình giữ nhiệt giữ nước nóng; ta đổ nước lạnh, bình giữ nhiệt giúp nước luôn mát. Chúng hoạt động rất đơn giản, gọn nhẹ và hiệu quả. Vậy bình giữ nhiệt tại sao lại giữ được nhiệt hay cơ chế hoạt động của bình giữ nhiệt là gì?

Ý tưởng ban đầu về bình giữ nhiệt được hình thành vào đầu những năm 1890 bởi một nhà khoa học người Scotland tên là Sir James Dewar (1842–1923). Dewar chỉ sử dụng bình của mình để giữ lạnh hóa chất trong phòng thí nghiệm, không lường trước được có thể phát triển để giữ đồ uống nóng, và do đó không bao giờ được cấp bằng sáng chế.

Trao đổi nhiệt diễn ra như thế nào?

Trước khi tìm hiểu tại sao bình giữ nhiệt có thể giữ được nhiệt, chúng ta cần tìm hiểu một chút về quá trình trao đổi nhiệt.

Nhiệt là một loại năng lượng di chuyển xung quanh chúng ta. Trao đổi nhiệt tồn tại dưới ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt.

Nếu bạn chạm vào một thứ gì đó rất nóng, nhiệt sẽ truyền thẳng vào tay bạn bởi vì có sự kết nối trực tiếp giữa bạn và vật thể nóng đó. Đó là sự dẫn nhiệt – khi có sự tiếp xúc giữa hai hay nhiều vật thể.

Đối lưu nhiệt có thể xảy ra mà không cần sự tiếp xúc trực tiếp. Nếu bạn bật quạt sưởi, nó sẽ thổi khí nóng qua lưới tản nhiệt vào phòng của bạn. Do khí nóng nhẹ hơn khí lạnh (khí nóng có trọng lượng riêng nhỏ hơn) nên khí nóng từ quạt sưởi thổi ra sẽ di chuyển lên trên và khí lạnh trong phòng sẽ bị đẩy xuống phía dưới, và dần dần lượng khí nóng tăng lên sẽ làm ấm cả căn phòng. Khi nhiệt chuyển động theo cơ chế này ta gọi là đối lưu nhiệt. Việc bạn đun nước trong nồi cũng là một ví dụ điển hình cho đối lưu (nước nóng được đun nóng sẽ nổi lên trên, nước lạnh chìm xuống dưới đáy nồi và tiếp tục được đun nóng).

Bức xạ nhiệt hơi khác so với dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt. Khi vật thể nóng, chúng thường phát sáng. Đó là lý do lửa trại có màu đỏ, cam hoặc vàng. Hiện tượng này xảy ra do các phân tử trong các vật thể nóng rất không ổn định do chúng tiếp nhận một lượng nhiệt lớn từ ngọn lửa. Do sự không ổn định đó, các phân tử cũng nhanh chóng quay trở về trạng thái bình thường của chúng và giải phóng năng lượng (gọi là ánh sáng).

Đôi khi chung chúng ta nhìn thấy chúng phát sáng và đôi khi không. Nếu ánh sáng chúng tạo ra có màu quá đỏ khiến mắt thường không thể nhìn thấy được, thì đó gọi là bức xạ hồng ngoại và thay vì nhìn được, chúng ta có thể cảm nhận được đó là nhiệt. Bạn có thể cảm nhận được tia hồng ngoại phát ra bởi các vật thể nóng ngay cả khi bạn không chạm vào chúng (vì vậy đây không phải là dẫn nhiệt) và cũng không có không khí hay chất lỏng mang nhiệt ở đây (nên cũng không phải là đối lưu nhiệt).

Bức xạ nhiệt giải thích được lý do tại sao chúng ta có thể cảm thấy được sức nóng toát ra từ các loại đèn sợi đốt kiểu cũ mặc dù chúng đã được bao quanh bởi thủy tinh và một lớp chân không bên trong.

Tại sao cà phê của chúng ta bị nguội đi?

Giả sử bạn vừa mới pha cho mình một cốc cà phê nóng. Bạn luôn biết rằng mình phải uống nhanh kẻo tý nữa là nguội mất. Tại sao cà phê lại nguội đi?

Nước sôi ở nhiệt độ 100°C trong khi nhiệt độ phòng dao động từ 15-20°C, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Vì cà phê trong cốc có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng rất nhiều nên nhiệt sẽ truyền từ nước cà phê sang môi trường xung quanh. Nhiệt còn truyền từ nước sang cốc đựng, truyền sang mặt bàn,... (dẫn nhiệt). Không khí xung quanh cốc ấm lên và di chuyển lên trên (nhiệt bị mất đi bởi đối lưu nhiệt). Và nhiệt của cà phê còn bị mất đi bởi bức xạ nhiệt nữa.

Dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt sẽ khiến cho cốc cà phê nóng hổi của bạn trở thành một thứ chất lỏng nguội ngắt và uống rất chán chỉ trong vòng một tiếng đồng hồ. Nếu bạn muốn cà phê của mình luôn nóng hổi thì bạn cần ngăn chặn sự dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt lại bằng cách cho cà phê vào bình giữ nhiệt.

Bình giữ nhiệt hoạt động như thế nào?

Bình giữ nhiệt có thể coi là một bình siêu cách nhiệt. Hầu hết các phiên bản bình giữ nhiệt đều có ruột bên trong và vỏ bằng nhựa hoặc kim loại. Ruột được cấu tạo bởi hai lớp thuỷ tinh, ở giữa là khoảng chân không. Ngoài ra, bên thành trong của 2 lớp này còn được tráng bạc để bức xạ nhiệt, giúp ngăn sự truyền nhiệt ra bên ngoài. Ngày nay người ta còn thay thế hai lớp thủy tinh bằng hai lớp thép không gỉ giúp cho bình giữ nhiệt không bị vỡ. Ngoài ruột bình và vỏ bình, bình giữ nhiệt còn có nắp bằng nhôm, nhựa và nút đậy ruột bằng gỗ, xốp để chống mất nhiệt do đối lưu.

Chỉ bằng kết cấu đơn giản trên, bình giữ nhiệt có thể ngăn chặn được mọi hình thức trao đổi nhiệt (cả dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt). Môi trường chân không giữa hai lớp thủy tinh (hoặc thép không gỉ) ngăn sự dẫn nhiệt. Nút đậy giúp ngăn chặn không khí vào hoặc ra khỏi bình, do đó đối lưu không xảy ra. Và khi tia hồng ngoại rời khỏi chất lỏng nóng sẽ bị lớp tráng bạc trên lớp thủy tinh phản chiếu quay trở lại. Hầu như không có cách nào giúp nhiệt thoát ra khỏi bình và nước nóng có thể giữ được nhiệt độ trong nhiều giờ đồng hồ.

Bình giữ nhiệt cũng có thể giữ lạnh cho đồ uống của bạn (bình giữ lạnh hay bình giữ mát). Nếu nhiệt không thể thoát được ra khỏi bình thì nhiệt cũng không thể thâm nhập vào trong bình từ bên ngoài. Nút đậy giúp ngăn nhiệt từ bên ngoài vào qua đối lưu nhiệt, môi trường chân không giúp ngăn chặn sự dẫn nhiệt và lớp mạ bạc giữa vỏ bình và ruột bình ngăn bức xạ nhiệt từ bên ngoài.

Dù bạn thích thưởng thức cà phê nóng hay cà phê đá, trà nóng hay trà đá,… bình giữ nhiệt là một lựa chọn thông minh giúp giữ đồ uống theo mong muốn. Trên thực tế, nhiệt vẫn có thể thoát ra (hoặc vào trong), chủ yếu thông qua nút đậy. Dù vậy thì bình giữ nhiệt (bình giữ lạnh) vẫn là một bước cải tiến mới trong số các sản phẩm giữ nhiệt.

Bên trong một bình giữ nhiệt

Chúng ta hãy điểm lại những bộ phận cấu thành bình giữ nhiệt nhé!

1. Nút đậy

2. Vỏ bình bằng nhựa hoặc bằng thép không gỉ

3. Lớp thủy tinh ngoài tráng bạc giúp chiếu xạ (hoặc thép không gỉ)

4. Môi trường chân không

5. Lớp thủy tinh trong (hoặc thép không gỉ)

6. Đệm cao su giúp cho ruột bình được chắc chắn

7. Lớp cách nhiệt bổ sung giúp ngăn sự truyền nhiệt và bảo vệ ruột khỏi những tác động từ bên ngoài

Alex

Nguồn: explainthatstuff