Nước bay hơi nhanh hay chậm tuỳ vào năm điều: nhiệt độ của nước, độ ẩm của không khí, gió trên mặt nước, diện tích mặt thoáng và áp suất không khí. Thực chất cả năm điều quy về một ý: phân tử nước rời mặt thoáng dễ đến đâu, và không khí phía trên còn "chỗ" nhận chúng đến đâu. Vì thế quần áo phơi ngày hanh có gió khô trong vài giờ, còn ngày nồm có thể để cả hai hôm vẫn ẩm.
Bay hơi khác sôi thế nào
Hai hiện tượng hay bị dùng lẫn nhưng khác nhau rõ:
- Bay hơi xảy ra ở mọi nhiệt độ, chỉ ở mặt thoáng. Vũng nước trên sân lúc 7 giờ sáng vẫn đang bay hơi, dù nước chỉ 25 °C.
- Sôi chỉ xảy ra khi áp suất hơi của nước bằng áp suất bên ngoài, ví dụ 100 °C ở mực nước biển. Lúc đó hơi sinh ra cả trong lòng chất lỏng, thành bọt.
Trong một cốc nước, các phân tử chuyển động với vận tốc khác nhau. Một số ít phân tử ở sát mặt thoáng có đủ năng lượng để thắng lực hút của các phân tử bên cạnh và bay ra. Chúng là những phân tử "nóng" nhất, nên khi chúng đi, phần còn lại nguội đi một chút. Đó là lý do bay hơi luôn làm lạnh: mồ hôi khô làm da mát, chiếc khăn ướt quấn quanh chai nước giữ nước mát hơn để trần.
Đồng thời, phân tử hơi trong không khí cũng va vào mặt nước và bị bắt trở lại. Tốc độ bay hơi thực tế là hiệu số giữa hai dòng: dòng bay ra và dòng rơi vào. Năm yếu tố dưới đây đều tác động vào một trong hai dòng ấy.
Năm yếu tố quyết định tốc độ bay hơi
1. Nhiệt độ của nước
Nước càng nóng, càng nhiều phân tử đủ năng lượng để bứt ra. Áp suất hơi bão hoà của nước tăng rất nhanh: khoảng 1,2 kPa ở 10 °C, 3,2 kPa ở 25 °C, 7,4 kPa ở 40 °C. Từ 25 lên 40 °C, "lực đẩy" bay hơi tăng hơn gấp đôi. Đó là lý do phơi quần áo dưới nắng trực tiếp khô nhanh hơn phơi trong bóng râm dù cùng một không khí: nắng làm nóng chính tấm vải ướt.
2. Độ ẩm của không khí
Không khí chỉ nhận thêm được hơi nước tới mức bão hoà. Khi độ ẩm tương đối đã 95%, không khí gần như "đầy", dòng phân tử rơi trở lại gần bằng dòng bay ra, bay hơi rất chậm. Ngày nồm miền Bắc là ví dụ điển hình. Ngày gió Lào khô nóng ở Nghệ An, Hà Tĩnh, độ ẩm có lúc xuống dưới 40%, bay hơi cực nhanh, ruộng nứt nẻ và người mất nước nhanh.
Năm 1802, nhà khoa học người Anh John Dalton đã mô tả quy luật này: tốc độ bay hơi tỷ lệ với chênh lệch giữa áp suất hơi bão hoà ở nhiệt độ mặt nước và áp suất hơi thực có trong không khí. Ngành khí tượng ngày nay gọi đại lượng tương tự là độ thiếu hụt áp suất hơi, dùng cả trong nông nghiệp nhà kính để điều chỉnh tưới.
3. Gió
Ngay trên mặt nước luôn có một lớp không khí mỏng gần bão hoà hơi nước. Không có gió, lớp này nằm yên như tấm chăn, hơi nước chỉ khuếch tán chậm qua nó. Gió thổi bay lớp đó đi, thay bằng không khí khô hơn. Một chiếc quạt bàn trước giá phơi đồ có thể rút thời gian khô xuống đáng kể, ngay cả trong phòng kín.
4. Diện tích mặt thoáng
Bay hơi xảy ra ở bề mặt, nên diện tích càng lớn bay hơi càng nhanh. Cùng một lít nước, để trong chai hẹp cổ thì tuần sau vẫn còn gần đủ, đổ ra mâm thì một buổi nắng đã cạn. Áo phơi giăng rộng khô nhanh hơn áo vắt đôi trên dây. Ruộng muối được làm thành những ô nông, rộng cũng vì lý do này.
5. Áp suất không khí và bản chất chất lỏng
Ở áp suất thấp, phân tử hơi ít bị va trở lại, bay hơi nhanh hơn. Trên núi cao quần áo khô nhanh hơn một phần vì thế, phần lớn vì không khí ở đó còn khô và gió mạnh. Bản chất chất lỏng cũng quan trọng: cồn, axeton bay hơi nhanh hơn nước nhiều vì lực hút giữa các phân tử của chúng yếu hơn liên kết hydro giữa các phân tử nước. Dầu ăn gần như không bay hơi ở nhiệt độ phòng. Với tinh dầu, các thành phần nhẹ như limonene của vỏ cam bay đi trước, thành phần nặng hơn ở lại lâu, chính là lý do mùi một giọt tinh dầu trên giấy thử đổi dần theo thời gian.
| Tình huống phơi một chiếc khăn ướt | Nhiệt độ | Độ ẩm | Gió | Tốc độ khô (so sánh) |
|---|---|---|---|---|
| Trưa hanh khô, nắng, có gió | Cao | Thấp | Có | Rất nhanh |
| Trong phòng điều hoà, bật quạt | Vừa | Thấp | Có | Nhanh |
| Ban công có mái, trời mát, lặng gió | Vừa | Trung bình | Không | Chậm |
| Ngày nồm, nhà tắm đóng kín | Thấp | Rất cao | Không | Rất chậm, có thể ẩm mốc |
Bay hơi làm mát: từ mồ hôi đến chum nước
Mỗi gam nước bay hơi ở nhiệt độ da lấy đi khoảng 2.400 J. Cơ thể người dựa vào điều này để hạ nhiệt khi vận động. Nhưng khi trời vừa nóng vừa ẩm, mồ hôi chảy ròng mà không bay hơi được, cơ thể mất kênh làm mát chính. Vì thế cảm giác oi bức của một ngày 33 °C độ ẩm 80% khó chịu và nguy hiểm hơn hẳn một ngày 33 °C khô ráo. Các cơ quan khí tượng dùng nhiệt độ bầu ướt, tức nhiệt độ một nhiệt kế bọc vải ướt đo được, để cảnh báo sốc nhiệt, vì nó phản ánh cả nóng lẫn ẩm.
Chum, vại, bình đất nung không tráng men giữ nước mát cũng nhờ bay hơi: nước thấm qua thành, bay hơi ở mặt ngoài, lấy nhiệt của nước bên trong. Đặt chum chỗ có gió và tránh nắng trực tiếp thì hiệu quả rõ nhất. Ngày nồm, chum gần như không còn mát hơn nhiệt độ phòng.
Ứng dụng: phơi, sấy và chưng cất
- Phơi nông sản: người phơi cà phê, hạt điều, lúa trên sân xi măng biết phải trải mỏng, cào đảo đều và gom lại trước khi sương xuống. Trải mỏng tăng diện tích, đảo để lớp dưới cũng tiếp xúc không khí, gom lại để khỏi hút ẩm ngược ban đêm.
- Sấy lá thơm: muốn giữ tinh dầu thì phơi trong bóng râm thoáng gió thay vì nắng gắt, vì nhiệt cao làm các thành phần thơm nhẹ bay hơi theo nước.
- Ruộng muối: người làm muối tận dụng cả nắng, gió và mặt ruộng rộng để làm nước biển cô đặc tới mức muối kết tinh.
- Chưng cất: là bay hơi có kiểm soát cộng với ngưng tụ. Người ta đẩy nhanh bay hơi bằng nhiệt hoặc hạ áp suất, rồi thu hơi lại thay vì để nó tan vào không khí.
Phơi đồ ngày nồm: làm theo vật lý
Khi không khí đã gần bão hoà, mọi mẹo phơi đều phải nhắm vào việc tạo ra một vùng không khí khô hơn quanh quần áo:
- Vắt thật kỹ: chu trình vắt mạnh của máy giặt bỏ đi lượng nước mà không cần bay hơi.
- Phơi trong phòng kín có máy hút ẩm hoặc điều hoà chế độ làm khô, đóng cửa. Máy liên tục rút hơi nước khỏi không khí, giữ độ ẩm phòng thấp.
- Thêm quạt để thổi lớp khí ẩm sát mặt vải đi.
- Giãn khoảng cách giữa các móc treo, không phơi chồng.
- Không phơi đồ trong phòng ngủ đóng kín không có máy hút ẩm: nước từ quần áo chỉ chuyển sang không khí và tường, làm phòng ẩm mốc hơn.
Một phép thử ba chiếc đĩa
Phép thử đơn giản, an toàn, phù hợp làm cùng trẻ:
- Đong ba thìa nước như nhau vào ba vật đựng: một chiếc cốc hẹp, một chiếc đĩa nông, một chiếc đĩa nông đặt trước quạt.
- Đặt cả ba trong cùng một phòng, ghi giờ bắt đầu.
- Cứ vài giờ quan sát một lần, ghi lại cái nào cạn trước.
Kết quả gần như luôn là: đĩa trước quạt cạn nhanh nhất, đĩa nông thứ hai, cốc hẹp chậm nhất. Làm thêm lần nữa vào một ngày khác thời tiết sẽ thấy cả ba đều nhanh hơn hay chậm hơn theo độ ẩm. Một tờ giấy ghi kết quả là đủ để trẻ thấy bốn trong năm yếu tố ở trên.
Câu hỏi thường gặp
Những yếu tố nào ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi?
Năm yếu tố chính là nhiệt độ của chất lỏng, độ ẩm không khí, gió, diện tích mặt thoáng và áp suất không khí; ngoài ra còn bản chất của chất lỏng. Nhiệt độ cao, không khí khô, có gió và mặt thoáng rộng thì bay hơi nhanh.
Bay hơi và sôi khác nhau thế nào?
Bay hơi xảy ra ở mặt thoáng và ở mọi nhiệt độ. Sôi chỉ xảy ra khi áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất bên ngoài, lúc đó hơi sinh ra cả trong lòng chất lỏng thành bọt.
Vì sao ngày nồm quần áo lâu khô?
Không khí ngày nồm gần bão hoà hơi nước, nên lượng phân tử nước bay ra từ vải gần bằng lượng rơi trở lại. Muốn đồ khô nhanh cần hạ độ ẩm quanh quần áo bằng máy hút ẩm hoặc điều hoà và dùng quạt.
Vì sao bay hơi làm mát?
Những phân tử bay ra là những phân tử có năng lượng cao nhất, nên phần chất lỏng còn lại có năng lượng trung bình thấp hơn, tức là nguội đi. Mỗi gam nước bay hơi lấy đi khoảng 2.400 J từ bề mặt.
Vì sao cồn bay hơi nhanh hơn nước?
Lực hút giữa các phân tử cồn yếu hơn liên kết hydro giữa các phân tử nước, nên phân tử cồn bứt khỏi mặt thoáng dễ hơn. Cồn dễ cháy, chỉ dùng ở nơi thoáng, xa lửa.
