Tại sao ly chanh đá ấm lên nhưng trà nóng lại lạnh đi khi để ngoài trời?

Sau khi trở về nhà sau một cơn mưa lạnh hay một buổi tập luyện tích cực tại phòng tập thể dục, không gì tuyệt vời bằng một ly nước chanh ướp lạnh.

Theo cách tương tự, một tách trà ấm sẽ đem đến cảm giác sảng khoái khi ngồi trên hiên nhà vào một chiều mưa. Tuy nhiên, cả hai loại đồ uống được yêu thích này lại có những đặc điểm thú vị - nước chanh đá sẽ trở nên ấm ám, và tách trà ấm sẽ lạnh dần đi nếu để ngoài một thời gian.

Tại sao điều này lại xảy ra?

Câu trả lời ngắn: Bởi vì nhiệt luôn luôn đi từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp.

Để trả lời cụ thể hơn, VNReview.vn mời các bạn tham gia bài giải đáp từ các chuyên gia của ScienceABC.

Quay trở lại khái nhiệm nhiệt động lực học

Khi nói về nhiệt và nhiệt độ, thuật ngữ nhiệt động lực luôn hiện lên trong đầu. Đây đơn giản là khái niệm trong vật lý đề cập đến năng lượng và công của một hệ (hệ có thể là bất cứ thứ gì, từ một tách trà cho đến toàn bộ vũ trụ).

Có bốn định luật về nhiệt động lực học, trong đó mô tả các đại lượng vật lý gồm năng lượng, nhiệt độ và entropy, có mối liên quan theo các điều kiện nhất định. Đối với phạm vi của bài viết này, chúng ta chỉ cần xem xét đến định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Tuy nhiên, trước khi tìm hiểu kĩ, bạn cần phải hiểu một khía cạnh rất quan trọng của định luật thứ hai, đó là… Entropy.

Vậy Entropy là gì?

Định luật thứ hai dựa vào một trạng thái gọi là Entropy. Đây là một khái niệm đòi hỏi nhiều sự giải thích,; nhưng tất cả những gì bạn cần phải biết chỉ đơn giản gói gọn trong mô tả sau: Entropy là một phép đo về sự 'rối loạn' của một hệ thống vĩ mô.

Giả sử bạn có một hộp đầy socola. Khi bạn lắc hộp thật mạnh, mỗi miếng socola trật ra khỏi vị trí ban đầu và nằm ở một vị trí khác trong hộp. Vì số lượng các vị trí mà một mảnh socola có thể nằm là khá nhiều, chúng ta nói rằng bất kỳ mẩu socola trong hộp có entropy cao.

Rất đơn giản phải không nào?

Về mặt kỹ thuật, entropy là một phép đo số lượng các trạng thái nhỏ khác nhau của một hệ có thể có. Mỗi hệ có một số thành phần cố định đặc biệt, năng lượng, áp suất, khối lượng và nhiệt độ. Entropy thường được đại diện bởi kí tự ‘S'.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói gì?

Định luật này nói rằng tổng Entropy của một hệ cô lập (một hệ thống không tương tác với các hệ thống khác và do đó không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh) luôn tăng theo thời gian, hoặc vẫn không đổi trong điều kiện lý tưởng - nơi hệ đang trải qua một quá trình thuận nghịch hoặc tồn tại trong trạng thái ổn định.

Điều này có nghĩa rằng nếu một quá trình vật lý không thể đảo ngược, entropy của nó phải tăng lên. Một hệ quả quan trọng từ việc truyền tải năng lượng nhiệt từ cơ thể hoặc đến một cơ thể khác, diễn ra theo cách mà cơ thể và môi trường xung quanh đạt cân bằng nhiệt. Tức là một trạng thái mà không có sự khác biệt giữa nhiệt độ giữa các thành phần bên trong.

Đây là nguyên tắc cơ bản bắt buộc cho tất cả các hình thức truyền nhiệt, và cũng giải thích cho câu hỏi đặt ra trong tiêu đề của bài viết này "Tại sao ly chanh đá ấm hơn nhưng trà nóng sẽ lạnh đi khi để ngoài một lúc?"

Nhiệt độ của bất kỳ đối tượng có xu hướng đi về phía nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

Một ly nước chanh ướp lạnh ở nhiệt độ thấp hơn so với không khí bao quanh. Bởi vì sự truyền nhiệt xảy ra từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp hơn, một ly chanh đá sẽ trở nên ấm áp. Tương tự như vậy, một tách trà trở nên lạnh sau một vài phút vì nhiệt đi từ cốc vào không khí xung quanh cho đến khi cân bằng nhiệt đạt được.

Tuy nhiên, một ly nước chanh sẽ không trở nên ấm áp sau một thời gian nếu bạn đang ở Nam Cực, cũng như tách trà sẽ chẳng lạnh đi nếu bạn đang trong một sa mạc cực kỳ nóng.

Lưu ý rằng, nhiệt không bao giờ đi theo hướng ngược lại (trong điều kiện bình thường), nghĩa là từ một đối tượng lạnh thành một đối tượng ấm, trừ ngoại lệ có công đang được thực hiện. Đây là nguyên tắc làm việc cơ bản đằng sau chiếc tủ lạnh và máy bơm nhiệt ở nhà bạn. Trong những thiết bị này, điện tạo ra công cần thiết để chủ động đảo ngược chiều hướng truyền nhiệt.

Vì vậy, nếu bạn muốn đảm bảo rằng ly nước vẫn luôn lạnh và tách trà vẫn ấm nóng thật lâu, bạn nên xem xét việc chuyển nơi ở - một điểm cực kỳ lạnh đối với nước chanh hay một nơi rất nóng cho tách trà.

Thanh Tâm