Hại Não: Cú Lừa Của Tủ Lạnh, Albert Einstein Và Lịch Sử CFCs
Trong mọi góc bếp của các gia đình hiện đại, luôn tồn tại một khối hộp chữ nhật màu trắng lù lù, phát ra tiếng ro ro nhè nhẹ và thỉnh thoảng rung lên bần bật. Đó là chiếc tủ lạnh. Đối với chúng ta, nó đơn thuần chỉ là một thiết bị gia dụng nhàm chán dùng để bảo quản thịt cá, giữ cho những lon bia luôn mát lạnh và cất giữ đồ ăn thừa.
Nhưng nếu bạn lùi lại một bước, khoác lên mình chiếc áo blouse trắng của một nhà vật lý học và nhìn chiếc tủ lạnh dưới lăng kính của Nhiệt động lực học, bạn sẽ nhận ra mình đang bị lừa. Chiếc tủ lạnh không hề "tạo ra" hơi lạnh như bạn tưởng. Thậm chí, trong quá khứ, nó từng là một cỗ máy giết người hàng loạt, là nguồn cơn phá hủy bầu khí quyển Trái Đất, và từng buộc khối óc vĩ đại nhất thế kỷ 20 - Albert Einstein - phải xắn tay áo vào giải cứu.
 |
|
Hãy cùng giải phẫu cỗ máy "hại não" này để xem nhân loại đã phải đánh đổi những gì để có được một ly nước đá giữa mùa hè.
Cú Lừa Vật Lý Thế Kỷ: Tủ Lạnh Không Hề "Tạo Ra" Hơi Lạnh!
Khi bạn mở cửa tủ lạnh, một luồng khí mát rượi phả vào mặt, và bạn đinh ninh rằng bên trong vách tủ có một cỗ máy thần kỳ nào đó đang "sản xuất" ra hơi lạnh và thổi vào thức ăn.
Khoa học Vật lý sẽ tát một gáo nước lạnh vào niềm tin đó của bạn: Trong vũ trụ này, "sự lạnh" không hề tồn tại!
Theo nguyên lý của Nhiệt động lực học, nhiệt lượng (sự nóng) là một dạng năng lượng có thực, sinh ra do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử. Phân tử chuyển động càng nhanh, vật thể càng nóng. Còn "sự lạnh" chỉ đơn thuần là một khái niệm ngôn ngữ do con người tự bịa ra để miêu tả sự vắng mặt của nhiệt lượng. Bạn không thể bơm "sự lạnh" vào một miếng thịt bò, bạn chỉ có thể hút "sự nóng" ra khỏi miếng thịt bò đó, khiến nó trở nên lạnh đi.
Do đó, tủ lạnh không phải là máy tạo hơi lạnh. Thực chất, nó là một "Cỗ máy hút nhiệt" (Heat Extractor) hay "Cỗ máy bơm nhiệt ngược".
Nó sử dụng một hệ thống đường ống khép kín chứa Môi chất lạnh (Gas lạnh). Môi chất lạnh này có một siêu năng lực: nó sôi và bay hơi ở nhiệt độ cực thấp (thậm chí là âm độ C). Khi gas lạnh ở dạng lỏng chạy qua dàn lạnh (nằm bên trong tủ), nó sẽ "bòn rút" toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra từ bó rau, con cá, quả trứng của bạn để sôi lên và hóa thành dạng khí.
Sau khi đã no nê nhiệt lượng, phần khí gas nóng bỏng này sẽ bị lốc máy (máy nén) ép với áp suất cực cao, đẩy ra dàn nóng (dàn ngưng tụ) nằm ở phía sau lưng hoặc hai bên hông tủ lạnh. Tại đây, khí gas xả toàn bộ số nhiệt lượng nó vừa cướp được từ đống thức ăn ra ngoài không khí phòng bếp, ngưng tụ lại thành chất lỏng và tiếp tục quay trở lại dàn lạnh để bắt đầu một vòng tuần hoàn vơ vét nhiệt lượng mới.
Tóm lại: Tủ lạnh giữ cho thức ăn mát mẻ bằng cách chuyển sự nóng từ bên trong hộp xả ra ngoài nhà của bạn.
Nghịch Lý Ngớ Ngẩn: Tại Sao Mở Cửa Tủ Lạnh Sẽ Làm Căn Phòng... Nóng Hơn?
Vào những ngày mùa hè nóng bức 40 độ C, hoặc khi khu phố bị cúp điện không thể bật điều hòa, rất nhiều người đã nảy ra một ý tưởng có vẻ vô cùng thiên tài: "Tại sao không mở toang hai cánh cửa tủ lạnh ra, để hơi mát bên trong tràn ngập ra ngoài, biến nó thành một chiếc điều hòa nhiệt độ khổng lồ làm mát cả căn phòng?"
Nếu bạn đã từng thử làm điều này, xin chia buồn, bạn vừa tự tay biến căn phòng của mình thành một cái lò sưởi! Đây là một bài toán kinh điển về Định luật bảo toàn năng lượng.
Khi bạn mở toang cửa tủ, luồng không khí mát lạnh đúng là sẽ tràn ra ngoài, mang lại cho bạn cảm giác mát mẻ trong vài chục giây đầu tiên. Nhưng ngay lập tức, cảm biến nhiệt độ bên trong tủ lạnh sẽ réo lên cảnh báo: "Nhiệt độ đang tăng cao đột ngột!". Lốc máy (máy nén) sẽ lập tức khởi động và chạy với 100% công suất để bù đắp lại lượng nhiệt đã mất, cố gắng làm lạnh lại không gian bên trong (vốn lúc này đang liên thông trực tiếp với cả căn phòng).
Vấn đề nằm ở chỗ: Máy nén là một động cơ điện. Khi nó chạy hết tốc lực, ma sát cơ học và dòng điện chạy qua các cuộn dây sẽ sinh ra một lượng nhiệt khổng lồ ở phía sau tủ. Theo nguyên lý nhiệt động lực học, không có cỗ máy nào đạt hiệu suất 100%. Lượng nhiệt nóng xả ra từ dàn nóng phía sau lưng tủ lạnh luôn luôn lớn hơn lượng hơi mát mà nó phả ra ở phía trước.
Kết quả là gì? Nếu bạn đóng kín cửa phòng và mở tung cửa tủ lạnh, thay vì làm mát, chiếc tủ lạnh đang hoạt động như một cỗ máy sưởi ấm, từ từ nâng nhiệt độ căn phòng của bạn lên cao hơn mức ban đầu, đồng thời ngốn của bạn một đống tiền điện.
Lịch Sử Đẫm Máu: Khi Tủ Lạnh Là Một Cỗ Máy Giết Người
Chúng ta đang sống trong thời đại mà tủ lạnh quá an toàn, nhưng hãy quay ngược kim đồng hồ về những năm 1920. Vào thời điểm đó, sở hữu một chiếc tủ lạnh cơ học chạy bằng điện trong nhà không khác gì việc bạn đang nuôi một quả bom nổ chậm trong bếp.
Để làm lạnh, các thế hệ tủ lạnh sơ khai phải sử dụng các loại hóa chất công nghiệp kịch độc làm môi chất lạnh. Ba "sát thủ" phổ biến nhất lúc bấy giờ là: Amoniac (NH3), Methyl clorua (CH3Cl), và Lưu huỳnh đioxit (SO2).
Bản chất của các loại gas này là cực kỳ độc hại, ăn mòn cao và dễ cháy nổ. Chỉ cần các đường ống kim loại bị rỉ sét do thời gian, hoặc các mối hàn bị nứt (do độ rung của máy nén), khí gas sẽ lặng lẽ rò rỉ ra ngoài căn nhà. Khí Methyl clorua đặc biệt nguy hiểm vì nó không màu, mùi lại rất nhẹ. Trong những năm 1920, đã có hàng trăm vụ tai nạn thương tâm xảy ra khi toàn bộ gia đình đang chìm trong giấc ngủ, hít phải khí độc rò rỉ từ tủ lạnh và tử vong ngay trên giường mà không hề hay biết.
Chiếc tủ lạnh lúc đó là biểu tượng của sự giàu có, nhưng cũng là hiện thân của tử thần.
Albert Einstein - Khối Óc Vĩ Đại Bắt Tay Chế Tạo Tủ Lạnh
Năm 1926, Albert Einstein - lúc bấy giờ đã là một nhà vật lý học lừng danh thế giới với Thuyết Tương Đối - đang ngồi đọc tờ báo buổi sáng tại nhà riêng ở Berlin. Đập vào mắt ông là một bản tin vô cùng đau lòng: Cả một gia đình sống tại Berlin đã chết ngạt trong đêm vì hóa chất rò rỉ từ chiếc tủ lạnh bị hỏng gioăng.
Nhà bác học thiên tài đã vô cùng phẫn nộ trước sự bất lực của công nghệ ứng dụng. Ông cho rằng các kỹ sư thời đó đã thiết kế sai lầm khi đưa những hệ thống máy nén cơ học rung lắc, dễ hở mối nối vào trong nhà dân. Einstein đã gọi người học trò xuất sắc của mình là nhà vật lý Leo Szilard (người sau này góp công tạo ra lò phản ứng hạt nhân đầu tiên) đến và nói: "Chúng ta phải làm ra một chiếc tủ lạnh an toàn hơn, không thể giết người được nữa!".
Sau nhiều tháng nghiên cứu, họ đã cho ra đời một thiết kế điên rồ nhưng tuyệt đỉnh về mặt vật lý: Tủ lạnh Einstein-Szilard.
Đặc điểm "hại não" của chiếc tủ lạnh này là gì?
Nó hoàn toàn không có máy nén cơ học, không có các bộ phận chuyển động (motor, pít-tông) nên không bao giờ bị mài mòn, rung lắc hay nứt mối hàn rò rỉ khí.
Nó không cần cắm điện. Đúng vậy! Nó chỉ cần một nguồn nhiệt duy nhất (như một ngọn lửa đèn cồn nhỏ, bếp gas hoặc năng lượng mặt trời) để đun nóng hỗn hợp chất lỏng.
Môi chất sử dụng là một chu trình tuần hoàn kín của Amoniac, Butan và Nước, hoạt động hoàn toàn dựa trên sự thay đổi áp suất nhiệt động học tĩnh.
Thiết kế này an toàn tuyệt đối và có thể sử dụng vĩnh cửu không hỏng hóc. Cặp thầy trò Einstein - Szilard đã được cấp bằng sáng chế số US1781541A vào năm 1930. Tuy nhiên, nó đã thất bại về mặt thương mại vì thiết kế phức tạp, làm lạnh không sâu và quan trọng nhất là: Một sự kiện hóa học khác đã xảy ra làm thay đổi vĩnh viễn ngành công nghiệp điện lạnh.
Tội Đồ Hủy Diệt Bầu Khí Quyển: Sự Xuất Hiện Của Gas Freon (CFCs)
Trong lúc Einstein đang loay hoay với chiếc tủ lạnh của mình, một nhà hóa học người Mỹ tên là Thomas Midgley Jr. (làm việc cho tập đoàn General Motors) đã tìm ra lời giải "hoàn hảo" cho bài toán tủ lạnh an toàn.
Ông đã tổng hợp thành công hợp chất Chlorofluorocarbons, hay còn gọi là CFCs (thương hiệu thương mại là Freon). CFCs giống như một món quà từ Thượng đế: Nó là môi chất lạnh tuyệt vời, không bắt lửa, không ăn mòn kim loại, và đặc biệt là hoàn toàn không độc hại đối với cơ thể người. Tại lễ công bố, Thomas Midgley Jr. thậm chí đã hít một hơi đầy khí Freon vào phổi rồi thổi tắt một ngọn nến để chứng minh nó an toàn tuyệt đối.
Công nghiệp tủ lạnh bùng nổ. CFCs xuất hiện trong mọi gia đình, từ máy lạnh, tủ lạnh đến các bình xịt tóc, xịt côn trùng. Thomas Midgley Jr. được tung hô như một anh hùng (đáng buồn thay, người đàn ông này cũng là kẻ phát minh ra xăng pha chì - một chất kịch độc khác đầu độc toàn nhân loại).
Nhưng thiên nhiên luôn có sự bù trừ tàn khốc. Vài chục năm sau, vào thập niên 1970 - 1980, giới khoa học khí quyển bàng hoàng phát hiện ra một sự thật kinh hoàng: CFCs an toàn với con người ở mặt đất, nhưng lại là sát thủ vô hình trên tầng bình lưu.
Khi những chiếc tủ lạnh cũ bị vứt ra bãi rác, khí CFCs rò rỉ, bay lơ lửng lên bầu khí quyển. Tại đây, tia cực tím cực mạnh của Mặt Trời sẽ bắn phá phân tử CFCs, giải phóng ra các nguyên tử Clo tự do. Một nguyên tử Clo này sẽ điên cuồng cắn xé và phá hủy hàng trăm ngàn phân tử Ozone (O3) - tấm khiên bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ tử ngoại chết chóc.
Tủ lạnh nhà bạn chính là thủ phạm tạo ra lỗ thủng tầng Ozone khổng lồ ở Nam Cực, đe dọa sự sinh tồn của toàn bộ sinh vật trên Trái Đất do nguy cơ ung thư da tăng vọt và biến đổi khí hậu.
Sự việc nghiêm trọng đến mức vào năm 1987, toàn bộ các quốc gia trên thế giới phải ngồi lại với nhau ký kết Nghị định thư Montreal, chính thức cấm sản xuất và sử dụng CFCs trên quy mô toàn cầu. Đây là một trong những hiệp ước môi trường quốc tế hiếm hoi thành công nhất trong lịch sử nhân loại. Ngày nay, tủ lạnh đã chuyển sang sử dụng các loại gas thân thiện hơn như HFCs (R134a) hay gas HC (R600a), vừa bảo vệ tầng Ozone vừa giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.
Lời Kết
Chiếc tủ lạnh không chỉ là một hộp giữ lạnh thức ăn, nó là một bảo tàng thu nhỏ của khoa học ứng dụng. Nó chứa đựng định luật bảo toàn năng lượng bất di bất dịch, lưu giữ dấu ấn của thiên tài Albert Einstein, và mang theo bài học đẫm máu của lịch sử phát triển hóa học công nghiệp.
Lần tới, khi bạn mở cánh cửa tủ lạnh ra để lấy một lon nước đá vào ban đêm, hãy nhớ rằng bạn đang đứng trước một "cỗ máy hút nhiệt" vĩ đại. Và làm ơn, hãy đóng cửa tủ lại thật nhanh, nếu không muốn trả thêm tiền điện chỉ để sưởi ấm căn bếp của bạn giữa mùa hè rực lửa!
Câu Hỏi Thường Gặp (FAQ) Về Vật Lý Và Sử Dụng Tủ Lạnh
Câu 1: Tại sao không được bỏ thức ăn nóng đang bốc khói trực tiếp vào tủ lạnh? Nhiều người sợ thức ăn hỏng nên nấu xong cho ngay vào tủ. Đây là một sai lầm hủy diệt! Về mặt vật lý, thức ăn quá nóng sẽ tỏa ra một lượng nhiệt và hơi nước khổng lồ. Tủ lạnh sẽ phải ép máy nén chạy quá tải (vượt quá thiết kế) để hút lượng nhiệt này, gây hao điện và giảm tuổi thọ lốc máy. Đồng thời, hơi nước bốc lên sẽ ngưng tụ thành đá bám quanh dàn lạnh, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và khiến các thực phẩm xung quanh dễ bị ôi thiu do nhiệt độ môi trường trong tủ tăng vọt đột ngột.
Câu 2: Tủ lạnh nhồi nhét đầy ắp thức ăn hay tủ lạnh trống không sẽ tốn điện hơn? Một sự thật "hại não": Tủ lạnh chứa kha khá đồ ăn (khoảng 70 - 80% dung tích) sẽ TIẾT KIỆM ĐIỆN HƠN một chiếc tủ lạnh trống trơn. Các khối thức ăn, chai nước bên trong đóng vai trò như những "khối lưu trữ nhiệt lạnh" (Thermal mass). Khi bạn mở cửa tủ, không khí lạnh dễ dàng thoát ra ngoài, nhưng các chai nước lạnh và tảng thịt đông lạnh thì không. Chúng giúp giữ nhiệt độ bên trong ổn định, máy nén sẽ không phải chạy lại từ đầu để làm lạnh một khoảng không gian toàn không khí trống rỗng.
Câu 3: Ngăn đá (ngăn đông) tại sao thường được thiết kế nằm ở phía trên? Đây là nguyên lý vật lý cơ bản về đối lưu chất lưu. Không khí lạnh luôn có khối lượng riêng nặng hơn không khí nóng. Bố trí dàn lạnh và ngăn đá ở phía trên cùng giúp luồng không khí lạnh nặng nề tự động chìm xuống dưới, lan tỏa khắp các ngăn mát bên dưới mà không cần sử dụng quá nhiều quạt gió công suất lớn. Khi không khí phía dưới nhận nhiệt từ thức ăn, nó nóng lên, nhẹ đi và bay ngược trở lên dàn lạnh phía trên để tiếp tục vòng tuần hoàn. (Tất nhiên hiện nay tủ lạnh ngăn đá dưới đã phổ biến do có hệ thống quạt thổi đối lưu cưỡng bức cưỡng ép khí đi theo ống dẫn).
Câu 4: Hiện tượng tủ lạnh "đổ mồ hôi" quanh cánh cửa vào những ngày nồm ẩm là do đâu? Vào những ngày độ ẩm không khí rất cao (nhất là mùa nồm ở miền Bắc), lớp gioăng cao su quanh cửa tủ không thể cách nhiệt 100%. Vị trí này thường lạnh hơn môi trường xung quanh một chút. Không khí nóng ẩm trong nhà khi chạm vào bề mặt mát lạnh của viền cánh cửa sẽ đạt đến "điểm sương" (Dew point), hơi nước sẽ ngưng tụ lại thành các giọt nước đọng lấm tấm. Đây là hiện tượng ngưng tụ vật lý bình thường, không phải do tủ lạnh bị rò rỉ nước từ bên trong.