Ứng suất nhiệt: vì sao kính, nồi gang, đá nứt khi nóng lạnh đột ngột

Kính, nồi gang, đá nứt khi nóng lạnh đột ngột vì các phần của cùng một vật giãn nở hoặc co lại không đều: lớp ngoài gặp lạnh co lại trong khi lớp trong vẫn nóng và còn giãn, tạo ra lực kéo bên trong gọi là ứng suất nhiệt. Vật liệu giòn như thuỷ tinh, gang, gốm, đá chịu kéo kém nên khi ứng suất vượt sức bền, vết nứt xuất hiện tức thì. Vật liệu càng giãn nở nhiều theo nhiệt và dẫn nhiệt càng kém thì càng dễ nứt, vì thế kính chịu nhiệt borosilicat bền hơn kính thường rất nhiều.

Giãn nở nhiệt là gì?

Gần như mọi vật rắn nở ra khi nóng và co lại khi lạnh. Nguyên tử dao động mạnh hơn khi nhiệt độ tăng nên khoảng cách trung bình giữa chúng lớn lên một chút. Mức nở được đo bằng hệ số giãn nở dài: độ dài tăng thêm bao nhiêu phần cho mỗi độ.

Một thanh thép dài một mét nóng thêm 100 °C dài ra khoảng 1,2 milimét. Nghe ít, nhưng nếu thanh đó bị giữ chặt hai đầu không cho dài ra, lực sinh ra rất lớn. Đó là lý do đường ray có khe co giãn, cầu thép có khớp nối răng lược, mặt đường bê tông có khe cắt.

Vì sao nóng lạnh đột ngột mới gây nứt, còn nóng đều thì không?

Nếu cả vật nóng lên đều nhau, mọi phần cùng nở theo một tỷ lệ và không phần nào kéo phần nào. Vấn đề nảy sinh khi nhiệt độ không đều. Thử hình dung một chiếc cốc kính dày đang ở nhiệt độ phòng rồi bị rót nước sôi vào:

• Mặt trong chạm nước sôi nóng lên ngay và muốn nở ra.
• Mặt ngoài vẫn còn nguội vì thuỷ tinh dẫn nhiệt kém, nhiệt chưa kịp truyền tới.
• Mặt trong bị mặt ngoài "giữ lại" nên chịu nén; mặt ngoài bị mặt trong "đẩy ra" nên chịu kéo.

Trường hợp ngược lại, dội nước lạnh lên một vật đang nóng, thì lớp ngoài co lại trong khi lõi còn nở, lớp ngoài chịu kéo. Vật liệu giòn chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo kém, và chỉ cần một vết xước nhỏ ở bề mặt là vết nứt bắt đầu từ đó. Vì thế dội lạnh lên vật nóng thường nguy hiểm hơn đổ nóng vào vật lạnh.

Công thức ước lượng đơn giản

Với một lớp vật liệu bị giữ không cho co giãn, ứng suất nhiệt xấp xỉ bằng tích của ba đại lượng: mô đun đàn hồi (độ cứng của vật liệu), hệ số giãn nở và chênh lệch nhiệt độ. Lấy kính thường với mô đun khoảng 70 gigapascal, hệ số khoảng 9 phần triệu mỗi độ: chênh lệch chỉ 50 °C đã cho ứng suất khoảng 30 megapascal, đủ để làm nứt một tấm kính có vết xước bề mặt. Với kính borosilicat, hệ số nhỏ hơn khoảng ba lần nên cùng chênh lệch đó ứng suất chỉ còn khoảng một phần ba.

Kính chịu nhiệt borosilicat khác kính thường thế nào?

Kính thường làm từ cát thạch anh, sôđa và đá vôi. Kính borosilicat thay một phần thành phần bằng ôxít bo. Kết quả là mạng thuỷ tinh ít giãn nở theo nhiệt hơn hẳn. Đó là lý do cốc, bình trong phòng thí nghiệm, bình pha trà thuỷ tinh đun trực tiếp, khay nướng thuỷ tinh tốt thường làm từ borosilicat.

Có vài điểm người dùng nên biết:

• Không phải đồ thuỷ tinh nào "chịu nhiệt" cũng là borosilicat. Nhiều khay nướng làm từ kính soda – vôi đã qua cường lực. Kính cường lực chịu va đập tốt hơn, chịu nhiệt khá hơn kính thường, nhưng vẫn kém borosilicat khi gặp sốc nhiệt lớn.
• Borosilicat cũng có giới hạn. Đặt bình nóng lên mặt đá ướt lạnh, đổ nước đá vào bình vừa đun cạn, vẫn có thể nứt.
• Thuỷ tinh thạch anh gần như không giãn nở, có thể nung đỏ rồi nhúng nước mà không vỡ, nhưng đắt và khó gia công, nên chỉ dùng trong phòng thí nghiệm, đèn chiếu sáng công suất cao.
• Mặt bếp gốm thuỷ tinh của bếp từ, bếp hồng ngoại làm từ vật liệu thuỷ tinh – gốm có hệ số giãn nở gần bằng không, nên chịu được nồi nóng đặt lên và nước lạnh đổ vào.

Vì sao không được dội nước lạnh vào nồi gang đang nóng?

Gang xám, loại gang hay dùng làm nồi, chảo, chứa các tấm graphit nhỏ bên trong. Chính các tấm này làm gang giòn khi chịu kéo: mỗi đầu tấm graphit là một điểm tập trung ứng suất. Gang chịu nén tốt, đúc được hình phức tạp, nhưng gặp sốc nhiệt mạnh thì dễ nứt.

Một chiếc nồi gang vừa rời bếp có thể ở vài trăm độ. Dội nước lạnh vào, lớp bề mặt co lại tức thì trong khi thân nồi còn nóng, ứng suất kéo xuất hiện, và nếu nồi có sẵn vết nứt li ti từ trước thì vết nứt sẽ lan. Nồi có thể nứt ngay hoặc nứt sau vài lần như thế. Cách làm an toàn rất đơn giản: để nồi nguội bớt rồi mới rửa bằng nước ấm.

Điều tương tự áp dụng cho nồi đất, đĩa gốm, đá nướng pizza, bát sứ: đừng đặt thẳng từ tủ đông vào lò nóng, đừng đặt đồ vừa ra lò lên mặt bàn đá ướt lạnh.

Đá cũng nứt vì nhiệt sao?

Có. Đá là tổ hợp của nhiều khoáng vật, mỗi khoáng vật giãn nở một mức khác nhau. Nung nóng hay làm lạnh đột ngột khiến các hạt khoáng xô đẩy nhau. Từ thời cổ, thợ mỏ ở nhiều nơi đã dùng cách đốt lửa sát vách đá cứng rồi để nguội hoặc té nước làm đá rạn ra, dễ đục hơn. Kỹ thuật này được ghi nhận ở nhiều vùng mỏ cổ châu Âu trước khi có thuốc nổ.

Ở mức nhỏ hơn, bê tông trong đám cháy cũng có thể bong tróc mảng do ứng suất nhiệt và hơi nước bên trong. Còn sa mạc, nơi chênh lệch nhiệt ngày đêm lớn, đá bị phong hoá dần một phần cũng do co giãn lặp lại.

Nhà máy và xưởng đúc tránh ứng suất nhiệt thế nào?

Ứng suất nhiệt là vấn đề hằng ngày trong luyện kim, không chỉ trong bếp:

• Lò và thùng rót được nung nóng từ từ theo đường cong quy định để lớp gạch chịu lửa không nứt.
• Vật đúc lớn được để nguội chậm trong khuôn để tránh nứt nguội và cong vênh.
• Chi tiết hàn dày thường được nung sơ bộ trước khi hàn và đôi khi ủ sau hàn để giảm ứng suất dư.
• Kính xây dựng lớn phải tính tới phần mép bị khung che bóng trong khi giữa tấm phơi nắng, chênh lệch đó cũng làm kính nứt.

Góc nhìn hôm nay: mang về được điều gì?

Quy tắc thực hành rút gọn: thay đổi nhiệt độ từ từ, và nhất là đừng làm lạnh đột ngột một vật giòn đang nóng. Trong nhà, điều đó nghĩa là để nồi gang nguội rồi mới rửa, không đổ nước đá vào bình thuỷ tinh đang nóng, không đặt khay kính từ tủ lạnh thẳng vào lò, tráng nóng cốc kính dày trước khi rót nước sôi. Khi mua đồ thuỷ tinh để đun trực tiếp, hãy đọc kỹ mô tả vật liệu và hướng dẫn của nhà sản xuất.

Người muốn tìm hiểu thêm có thể đọc phần sự nở vì nhiệt của chất rắn trong sách Vật lý phổ thông, rồi các giáo trình vật liệu học ở phần sốc nhiệt và cơ học phá huỷ.