» Hóa học thường thức: Nhiệt (bài 1) – Chữ nhiệt kia cũng có ba bảy đường

Đi và Ở

Tin tức

Nghệ sĩ

Soi học

Bài mới đăng

Bàn luận

Nhân phim đam mỹ bị cấm, nghĩ về tình tri kỷ

Chỉ anh hùng mới có tri kỷ, không có tình bạn giữa kẻ cướp.

Tạp hóa - Xã hội

Hóa học thường thức: Nhiệt (bài 1) – Chữ nhiệt kia cũng có ba bảy đường 29. 09. 16 - 7:14 am

Hieniemic

Hôm nay chúng ta sẽ bàn đến một khái niệm quan trọng của cả hóa học lẫn nấu ăn (và dĩ nhiên của cả vật lý): nhiệt.

Nhiệt là một dạng của năng lượng. Trước khi nói về nhiệt, chúng ta sẽ cùng đặt ra một câu hỏi rất trừu tượng: năng lượng là gì? Richard Feynman nói: “Trong ngành vật lý ngày nay, không ai biết năng lượng là gì”.

Thomas Young là người đầu tiền dùng khái niệm “năng lượng” theo cách hiểu của khoa học hiện đại. Ông là một thần đồng đa lĩnh vực người Anh, đặc biệt nổi tiếng về vật lý và cổ Ai Cập học.

Đây thực sự là một khái niệm khó định nghĩa của khoa học. Khi bạn nhìn tảng đá, hay cái bàn cái ghế, có vẻ bất động, im lìm, nhưng thật ra chúng đang tràn đầy năng lượng. Ở cấp độ vi mô, các phân tử, nguyên tử đang chuyển động không ngừng, rung, lắc, xoay, uốn, gấp, xếp, co, duỗi… Năng lượng là cái thúc đẩy các hạt vi mô chuyển động như vậy. Nếu vật chất (hay khối lượng) là thứ hữu hình, thì năng lượng được coi là thứ vô hình. Hai thứ này được mặt trời chân lý Einstein gắn kết lại bằng thuyết tương đối.

Quay trở lại chủ đề nhiệt. Trước kia, khi chúng ta đang bước đầu xây dựng “con đường khoa học an toàn và vững chãi” (mượn chữ của Kant), các nhà vật lý và hóa học chưa có kiến thức đủ vững về các hạt vi mô, khái niệm về nhiệt của chúng ta khá nhập nhằng với khái niệm cháy. Để giải thích sự cháy, lúc đó, người ta dùng thuyết nhiên tố (yếu tố cháy): khi đốt một thứ gì đó, nhiên tố (phlogiston) sẽ bay ra, mang theo nhiệt, để lại cái “xác” của vật chất sau khi cháy (calx). Nhiên tố sẽ nhập trở lại vào đất. Khi đốt calx với đất chứa nhiều nhiên tố (ví dụ: than) thì nhiên tố sẽ “nhập” trở lại vào xác, biến lại thành kim loại.

Đến thế kỷ 18, nhờ nhiều nghiên cứu và thí nghiệm của Lavoisier, đã chứng minh tính sai lầm của thuyết nhiên tố (khi đốt kim loại thì kim loại tăng khối lượng, chứ không có cái gì bay mất cả), mà khoa học đã loại được thuyết này. Cùng với Lavoisier mà Priestley đã khám phá ra khí oxy, chính cái này mới là cái chui vào kim loại. Lavoisier quan niệm “nhiệt” (ông gọi là calorique) là một loại chất lưu, là một thứ chảy từ vật nóng qua vật lạnh.

Tranh vẽ Lavoisier và vợ của Jacques-Louis David (Bảo tàng Met, New York). Lavoisier sáng đi thu thuế, chiều làm hóa học. Công sức đóng góp của vợ ông cũng rất đáng kể: bà giúp ông ghi chép thí nghiệm, vẽ minh họa, dịch tài liệu tiếng nước ngoài cho chồng đọc,… Sau khi là người dẫn đầu hoàn thành Cách mạng hóa học, ông bị tử hình trong Cách mạng Pháp 1789, vì lý do làm nghề thu thuế và vì “Nền Cộng hòa không cần nhà hóa học”.

Dụng cụ thí nghiệm mà Priestley dùng để nghiên cứu về khí, tranh trong sách của ông (Thí nghiệm và Quan sát về các loại Khí) (1774–1777).

Khi “con đường khoa học an toàn và vững chãi” (Kant) đã được xây xong, thậm chí “con đường cao tốc nhiệt động học” (chữ của Gilbert Lewis) cũng đã thông xe, chúng ta mới biết tới bản chất nguyên tử của nhiệt như đã nói ở trên. Và xin nhắc lại: nhiệt là một dạng năng lượng.

Đặc trưng của năng lượng là nếu được cho phép, nó sẽ dịch chuyển giữa các hệ với nhau, và biến đổi thành các dạng khác nhau. Khi trao đổi, năng lượng này có thể được biến thành lực, hoặc ra điện (hoặc từ), và ta gọi các dạng này là công. Năng lượng cũng có thể chui vào phân tử, làm co kéo, rung lắc, bẻ gãy liên kết hóa học, đá bay electron vân vân, ta gọi các dạng này là nhiệt.

Khi làm bếp cũng như làm hóa, chúng ta quan tâm đến một vấn đề là nhiệt được trao đổi giữa các hệ vật theo cách nào. Vật lý nói nhiệt được trao đổi theo 3 cách sau đây:

Cách truyền nhiệt số 1: Dẫn nhiệt

Đây là cách truyền nhiệt trực tiếp. Đặt miếng thịt bò lên chảo nóng, xèo một tiếng, “nhiệt” từ chảo chạy sang miếng thịt bò. Thả con tôm vào dầu sôi, xèo một tiếng, “nhiệt” từ dầu chạy sang con tôm.

Khi chiên gà, nhiệt chạy trực tiếp dầu lên gà.

Nhiệt đi từ nguồn nhiệt vào nồi, chảo, có thể thông qua chất dẫn (dầu, nước), rồi vào thẳng thức ăn, thông qua tiếp xúc trực tiếp. Chảo làm bằng kim loại là thứ dẫn nhiệt tốt, vì kim loại có rất nhiều electron tự do. Khi nóng lên, các electron này thu năng lượng vào, mang năng lượng cao nên rung lắc và chạy nhảy lung tung, va đập vào các nguyên tử kế cận, truyền năng lượng cho các nguyên tử này (và làm chúng nóng lên theo). Khi đặt miếng thịt bò lên chảo, electron từ chảo sẽ chạy ra đập vào phân tử ở bề mặt miếng thịt bò, làm thịt bò nóng lên.

Trong kim loại, các nguyên tử (cục to) được giữ cố định, còn các electron (cục nhỏ) thì tự do chạy khắp nơi, tạo thành một “biển” electron tự do. Khi kim loại nóng lên, electron tăng năng lượng, chạy nhảy càng dữ, “biển” động càng mạnh, va đập vào các nguyên tử, khiến nhiệt được truyền đi trong kim loại rất nhanh. Các electron ở bề mặt (phần trên), sẽ đập vào miếng thịt khi đặt thịt lên, làm thịt nóng. Nguồn ảnh từ đây

Còn nồi niêu bằng gốm, đất, không phải kim loại, không có electron tự do, dĩ nhiên dẫn nhiệt sẽ kém hơn. Đối với các vật liệu này, nhiệt được truyền đi bằng sự rung lắc của mạng lưới phân tử. Các chất dẫn như nước, dầu cũng tương tự vậy (chúng ta đã bàn trong các bài trước).

Cách truyền nhiệt số 2: Đối lưu nhiệt

Đây là cách truyền nhiệt bằng dòng vật chất, thay vì bằng sự rung lắc của phân tử. Dòng vật chất này là dòng nước, dòng dầu, hoặc dòng không khí. Bất kể dòng này là chất lỏng hay rắn, khi ở gần nguồn nhiệt, nó sẽ nóng lên, nhẹ đi, nổi lên, và phần vật chất lạnh hơn sẽ chạy vào thế chỗ nó, cứ thế thành một dòng.

Ta đun nước từ nguồn lửa bên dưới. Nhiệt được truyền phần nào nhờ sự dẫn nhiệt nhưng phần lớn là do sự chuyển động thành dòng của các phân tử nước. Những phân tử nóng mang nhiều nhiệt sẽ nổi lên, các phân tử lạnh ít nhiệt sẽ chìm xuống. Cứ thế mà cả nồi nước có nhiệt độ tương đồng nhau. Nguồn ảnh tại đây

Cách truyền nhiệt số 3: Bức xạ nhiệt

Nhiệt cũng có thể được trao đổi mà không cần vật chất. Khi các phân tử nhả nhiệt ra, nó có thể thoát ra khỏi vật chất dưới dạng các bức xạ điện từ (bức: nan hoa bánh xe, xạ: bắn, bức xạ: bắn ra xung quanh theo mọi hướng như nan hoa bánh xe, cảm ơn Cùng học tiếng Việt). Bức xạ điện từ nôm na chính là ánh sáng. Nếu nắm được kiến thức vật lý phổ thông (không phải cao xa gì), chúng ta sẽ biết tùy theo năng lượng mà bước sóng ánh sáng dài hay ngắn.

Hình phổ sóng điện từ từ Thư viện vật lý rất rõ ràng. Sóng càng dài (vô tuyến, vi sóng…) càng ít năng lượng. Sóng càng ngắn (tia X, gamma) càng nhiều năng lượng. Phần cầu vồng chúng ta nhìn thấy được chỉ là một phần rất nhỏ của phổ này.

Các sóng “cầu vồng” trong vùng khả kiến có đủ năng lượng để kích thích các phân tử retinal trong mắt chúng ta để ta có thể nhìn thấy màu sắc. Các sóng tử ngoại (cực tím) thì lại quá nhiều năng lượng, sẽ làm hỏng mắt, còn hồng ngoại (cực đỏ) thì lại quá ít năng lượng không kích thích nổi, rốt cuộc chúng ta chỉ thấy màu đen với các sóng này. Thế nhưng, năng lượng của hồng ngoại lại thích hợp để kích thích các chuyển động rung lắc của phân tử hữu cơ, mỡ, nước trong thức ăn; mà phân tử khi dao động sẽ nóng lên. Thế nên hồng ngoại thích hợp khi dùng để nấu nướng.

Vật chất có nhiệt độ trên độ 0 tuyệt đối sẽ ít nhiều phát ra tia hồng ngoại. Nhiệt độ càng cao, tia hồng ngoại phát ra càng nhiều, nếu nóng hơn sẽ bắt đầu phát ra thêm ánh sáng khả kiến (lửa vàng, than hồng), hoặc quá nóng sẽ kèm theo cực tím (mặt trời). Nhưng khi nấu ăn chúng ta chỉ cần đến hồng ngoại thôi.

Thủy tinh nóng chảy tỏa ra ánh sáng vàng khả kiến.

Nghe “nấu ăn bằng tia hồng ngoại” có vẻ xa xôi, thật ra chúng ta làm việc này suốt. Nướng thịt, rau củ trên vỉ, trên lò lửa, nướng bánh trong lò nướng là chúng ta đang dùng tia hồng ngoại rồi (có kèm theo tí đối lưu không khí nữa).

Nướng kebab ở Thổ bằng lò lửa, tỏa tia hồng ngoại phía sau. Nay nhiều nơi không dùng lò lửa nữa mà nướng kebab thẳng bằng lò hồng ngoại.

Ngoài hồng ngoại, ta còn có thể nấu bằng bứa xạ vi ba (vi sóng, microwave). Vi ba là các sóng yếu hơn cả hồng ngoại, chủ yếu tác động lên các phân tử nước trong thức ăn. Vi ba không làm rung nổi phân tử mà sẽ làm phân tử quay, và như thế cũng sẽ nóng lên.

Chuyển động quay của phân tử nước khi kích thích bằng vi ba. Nguồn hình từ wiki

Lò vi ba do chủ yếu tác động vào các phân tử nước, nên rất khó làm bề mặt thực phẩm khô, dòn, hay để các phản ứng hóa nâu thực phẩm (như phản ứng tạo caramel, phản ứng Maillard) xảy ra tốt, như khi nướng trong lò hoặc trên lửa. Chỉ khi nào thực phẩm rất ít nước, như thịt muối bacon chẳng hạn, thì bạn có thể dùng vi ba. Vì dạo này đi siêu thị thấy bacon cũng bắt đầu bán khá nhiều ở các thành phố lớn nên nhân đây cũng chỉ các bạn cách để làm bacon nhanh và gọn, không cần chiên hay nướng trong lò. Bạn chỉ cần lót giấy lên tô hoặc đĩa bằng sứ, đặt bacon lên, rồi phủ giấy bên trên nữa để khỏi bắn mỡ, sau đó cho vào lò vi ba.

Lót bacon vào giấy, cho vào lò vi ba. Tùy công suất lò và loại bacon mà cần thời gian phù hợp, đôi khi chừng 30 giây đến 1 phút là đủ. Cách này vừa nhanh, vừa đỡ dầu mỡ (đỡ rửa chảo), mà bacon lại vừa dòn, vừa thơm. Nguồn ảnh từ đây

Đã bàn xong về các kiểu truyền nhiệt, bài sau ta sẽ áp dụng những gì đã nói vào việc phân tích một số phương pháp nấu ăn nhé.