Áp suất có làm thay đổi điểm nóng chảy. Với phần lớn chất, trong đó có hầu hết kim loại, nén mạnh làm điểm nóng chảy tăng vì thể rắn đặc hơn thể lỏng. Nước là ngoại lệ: nước đá nhẹ hơn nước lỏng nên bị nén thì chảy ở nhiệt độ thấp hơn một chút, khoảng 0,0074 °C cho mỗi lần tăng thêm một atmôtphe. Ở áp suất đời thường, mức thay đổi rất nhỏ; nó chỉ trở nên lớn trong lòng hành tinh.
Vì sao áp suất lại ảnh hưởng tới điểm nóng chảy?
Hãy so thể tích của cùng một lượng chất ở hai thể. Với sắt, nhôm, đồng, sáp, đa số chất thông thường, thể lỏng chiếm chỗ nhiều hơn thể rắn một chút. Nén lại tức là "ép" chất về phía trạng thái gọn hơn, tức là thể rắn. Muốn nó chảy dưới áp suất cao, phải cấp thêm nhiệt: điểm nóng chảy tăng.
Với nước thì ngược lại. Nước đá có cấu trúc tinh thể lục giác, các phân tử nối nhau bằng liên kết hiđrô thành mạng thưa nhiều khoảng trống. Khi tan, mạng sập bớt, phân tử xích lại gần nhau hơn, nên nước lỏng ở 0 °C đặc hơn nước đá khoảng 9%. Nén nước đá là đẩy nó về phía thể lỏng: điểm nóng chảy giảm.
Quy luật này được vật lý học mô tả bằng phương trình Clausius – Clapeyron: độ dốc của đường nóng chảy phụ thuộc nhiệt nóng chảy và chênh lệch thể tích giữa hai thể. Không cần nhớ công thức, chỉ cần nhớ: thể nào đặc hơn thì áp suất "ưu tiên" thể đó.
Nước không cô đơn. Gali, bitmut, silic, gecmani và antimon cũng nở ra khi đông đặc. Tính chất này từng được khai thác trong đúc chữ in xưa: hợp kim có antimon nở nhẹ khi đông nên điền kín từng nét khuôn chữ.
Giản đồ pha đọc thế nào cho đơn giản?
Giản đồ pha là một biểu đồ với trục ngang là nhiệt độ, trục đứng là áp suất, chia mặt phẳng thành các vùng rắn, lỏng, khí. Ba đường ranh giới cần biết:
- Đường nóng chảy ngăn vùng rắn và lỏng. Với đa số chất, đường này nghiêng sang phải khi đi lên (áp suất tăng thì điểm chảy tăng). Với nước, nó hơi nghiêng sang trái.
- Đường sôi ngăn vùng lỏng và khí. Đây là lý do nồi áp suất nấu nhanh: áp suất cao làm nước sôi ở trên 100 °C. Lưu ý đây là chuyện sôi, không phải nóng chảy.
- Đường thăng hoa ngăn vùng rắn và khí ở áp suất thấp.
Ba đường gặp nhau ở điểm ba, nơi cả ba thể cùng tồn tại. Điểm ba của nước nằm ở 0,01 °C và khoảng 611,657 pascal, chỉ bằng chừng 0,6% áp suất khí quyển. Điểm ba của cacbon đioxit nằm ở khoảng −56,6 °C và hơn 5 atmôtphe; vì áp suất khí quyển thấp hơn mức đó, đá khô ở ngoài trời không bao giờ chảy thành lỏng mà bốc thẳng thành khí.
| Chất | Nén mạnh thì điểm nóng chảy | Vì sao |
|---|---|---|
| Sắt, nhôm, đồng, đa số kim loại | Tăng | Thể rắn đặc hơn thể lỏng |
| Đá trong lớp phủ Trái Đất | Tăng | Thể rắn đặc hơn; giảm áp thì đá dễ chảy |
| Nước đá thường (băng Ih) | Giảm nhẹ | Nước đá thưa hơn nước lỏng |
| Gali, bitmut, silic | Giảm | Nở ra khi đông đặc, giống nước |
Có phải giày trượt băng chạy được nhờ áp suất làm tan băng?
Đây là cách giải thích có trong nhiều sách cũ: lưỡi giày rất mảnh, ép xuống băng với áp suất lớn, làm băng tan thành một màng nước bôi trơn. Nghe hợp lý, nhưng tính kỹ thì không đủ.
Một người nặng 70 kg đứng trên một lưỡi giày tiếp xúc khoảng 1 mm × 10 cm tạo áp suất cỡ 7 triệu pascal, tức khoảng 70 atmôtphe. Với mức 0,0074 °C mỗi atmôtphe, điểm nóng chảy của băng chỉ giảm chừng nửa độ. Ngay cả khi tính diện tích tiếp xúc nhỏ hơn nữa, mức giảm cũng chỉ vài độ. Thế nhưng người ta vẫn trượt băng tốt ở −20 °C, và băng ở −30 °C vẫn trơn hơn hẳn mặt bàn gỗ.
Các giải thích hiện nay tập trung vào hai cơ chế khác:
- Lớp tiền nóng chảy trên bề mặt. Ngay dưới 0 °C, các phân tử nước ở mặt ngoài băng không bị khoá chặt như bên trong, tạo một lớp rất mỏng linh động giống chất lỏng.
- Nhiệt do ma sát. Khi lưỡi giày trượt, ma sát làm nóng cục bộ, đủ để tạo màng nước siêu mỏng.
Tầm quan trọng tương đối của từng cơ chế, và cả vai trò của cấu trúc bề mặt băng, vẫn còn được nghiên cứu. Điều chắc chắn là "áp suất làm tan băng" chỉ đóng vai trò rất nhỏ. Một thí nghiệm hay được trình diễn, sợi dây thép treo vật nặng cắt xuyên qua khối băng mà khối băng vẫn liền lại phía sau (hiện tượng tái đông), thì có liên quan đến áp suất, nhưng sợi dây dẫn nhiệt tốt cũng góp phần đáng kể.
Nước đá có thể nóng tới hơn 100 °C mà không tan không?
Ở áp suất cực lớn, có. Nước đá quen thuộc chỉ là một trong hơn mười tám dạng tinh thể nước đá đã được xác định. Khi bị nén tới hàng nghìn atmôtphe, phân tử nước buộc phải xếp theo kiểu khác, đặc hơn cả nước lỏng. Từ đó trở đi, nén càng mạnh thì điểm nóng chảy càng tăng như mọi chất bình thường.
Ở áp suất vài chục nghìn atmôtphe trở lên, một dạng gọi là băng VII vẫn rắn ở nhiệt độ cao hơn 100 °C, và ở áp suất cao hơn nữa còn rắn ở vài trăm độ. Các nhà khoa học cho rằng băng áp suất cao có thể tồn tại sâu trong lòng một số mặt trăng băng giá và hành tinh giàu nước. Điều này cũng giải thích vì sao tàu thăm dò, kính thiên văn quan tâm nhiều đến các mặt trăng như Europa, Ganymede: lớp nước và băng ở đó xếp tầng phức tạp theo áp suất.
Vì sao lõi trong Trái Đất rắn dù nóng hơn lõi ngoài?
Lõi Trái Đất chủ yếu là sắt pha niken. Lõi ngoài lỏng, lõi trong rắn, trong khi lõi trong lại nóng hơn, ước tính khoảng 5.000–5.400 °C ở ranh giới, theo các nguồn khác nhau. Nghe như ngược đời, nhưng áp suất giải thích được.
Ở tâm Trái Đất, áp suất ước tính khoảng 3,3–3,6 triệu atmôtphe. Sắt là chất "bình thường": nén càng mạnh thì càng khó chảy. Càng vào sâu, nhiệt độ tăng, nhưng điểm nóng chảy của sắt tăng còn nhanh hơn. Đến một độ sâu, đường nhiệt độ thực vượt xuống dưới đường nóng chảy, và sắt kết tinh thành khối rắn. Theo thời gian, khi Trái Đất nguội dần, lõi trong được cho là đang lớn chậm lên.
Câu chuyện ngược lại xảy ra gần bề mặt: đá trong lớp phủ phần lớn là rắn dù rất nóng, vì áp suất giữ nó lại. Khi đá nóng dâng lên và áp suất giảm, nó có thể chảy một phần thành magma mà không cần nóng thêm. Đó là một trong những cơ chế chính sinh ra núi lửa ở sống núi giữa đại dương.
Góc nhìn hôm nay: áp suất trong công nghiệp và phòng thí nghiệm
Ngoài đời, áp suất cao cũng được dùng có chủ đích. Kim cương nhân tạo được tạo ra bằng cách nén than chì ở áp suất hàng chục nghìn atmôtphe và nhiệt độ hơn một nghìn độ, nơi kim cương là dạng bền. Phòng thí nghiệm vật lý dùng đe kim cương ép mẫu nhỏ tới hàng triệu atmôtphe, rồi nung bằng laser để đo điểm nóng chảy của sắt ở điều kiện giống lõi Trái Đất; kết quả giữa các nhóm còn chênh nhau vài trăm độ, nên mọi con số về lõi Trái Đất đều nên đọc là "ước tính".
Một điều nên mang về: mọi bảng nhiệt độ nóng chảy đều ngầm ghi "ở áp suất khí quyển". Khi đọc về núi lửa, lõi hành tinh hay vật liệu siêu cứng, hãy hỏi thêm "ở áp suất bao nhiêu". Sách Vật lý 10, 11 có phần chuyển thể; giản đồ pha của nước là hình nên tự vẽ lại một lần để nhớ.
Câu hỏi thường gặp
Áp suất tăng thì nhiệt độ nóng chảy tăng hay giảm?
Với đa số chất, kể cả hầu hết kim loại, áp suất tăng làm điểm nóng chảy tăng vì thể rắn đặc hơn thể lỏng. Nước đá thường, gali, bitmut, silic thì ngược lại: nén làm điểm nóng chảy giảm.
Vì sao nước đá nổi trên nước?
Vì các phân tử nước trong nước đá nối nhau bằng liên kết hiđrô thành mạng thưa, nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng khoảng 9%. Cũng vì lý do này mà nén nước đá làm nó dễ tan hơn một chút.
Trượt băng có phải nhờ áp suất làm tan băng?
Chủ yếu là không. Áp suất của lưỡi giày chỉ hạ điểm nóng chảy của băng khoảng nửa độ đến vài độ, không đủ giải thích việc trượt được ở −20 °C. Các giải thích hiện nay nhấn mạnh lớp bề mặt linh động của băng và nhiệt do ma sát.
Vì sao lõi trong Trái Đất là rắn?
Áp suất ở tâm Trái Đất lên tới hơn ba triệu atmôtphe, làm điểm nóng chảy của sắt tăng mạnh. Dù nhiệt độ ở đó ước tính trên 5.000 °C, nó vẫn thấp hơn điểm nóng chảy của sắt ở áp suất ấy, nên lõi trong kết tinh rắn.
Điểm ba của nước là gì?
Là trạng thái nhiệt độ và áp suất duy nhất mà nước đá, nước lỏng và hơi nước cùng tồn tại cân bằng: khoảng 0,01 °C và 611,657 pascal. Nó từng được dùng làm mốc định nghĩa thang nhiệt độ kelvin.
