Bọt sôi: vì sao bọt sinh ra ở đáy nồi và cho muối vào thì bùng sôi

Bọt sôi sinh ra ở đáy nồi vì đáy là chỗ nóng nhất, và mặt đáy có vô số vết xước, kẽ nhỏ giữ sẵn những túi khí li ti làm "mầm" cho hơi nước phình ra thành bọt. Giữa lòng nước trơn không có mầm, hơi nước rất khó tự tạo bọt. Rắc muối vào nồi nước sắp sôi, nước bùng bọt dữ dội không phải vì muối làm nước nóng hơn, mà vì mỗi hạt muối mang theo bề mặt gồ ghề và không khí bám quanh, tức là hàng nghìn mầm mới cùng lúc.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Đặt nồi nước lên bếp, nhìn qua nắp kính hoặc nồi thuỷ tinh. Chỉ vài phút, đáy và thành nồi lấm tấm những bọt nhỏ bám chặt, không chịu nổi lên. Một lúc sau, ở vài điểm cố định trên đáy, bọt bắt đầu phình to rồi bứt lên thành chuỗi, chuỗi nọ nối chuỗi kia từ đúng một chỗ, như có vòi nhỏ phun bọt. Rồi bọt nổi lên được nửa đường lại teo mất. Cuối cùng, cả nồi cuộn lên, bọt to vỡ tung trên mặt: nước đã sôi lăn tăn.

Người pha trà xưa đã quan sát kỹ các chặng này. Lục Vũ, tác giả Trà kinh đời Đường (thế kỷ 8), chia nước sôi làm ba lần: bọt như mắt cá, có tiếng khẽ là lần một; ven nồi bọt trào lên như chuỗi ngọc là lần hai; sóng cuộn trào là lần ba, quá đó là nước "già". Cách chia ấy khớp đáng ngạc nhiên với những gì vật lý mô tả ngày nay.

Cơ chế: vì sao bọt cần mầm

Bọt nhỏ xíu khó sống

Để một bọt hơi nước tồn tại trong nước, hơi bên trong phải đủ áp suất chống lại hai thứ: áp suất nước xung quanh, và sức căng bề mặt ép vào từ mọi phía. Bọt càng nhỏ, mặt cong càng gắt, sức căng bề mặt ép càng mạnh. Một bọt hơi nước mới chớm, nhỏ cỡ vài phân tử, bị ép bẹp ngay. Vì thế nước tinh khiết trong bình rất trơn có thể nóng vượt 100 °C mà chưa sôi: hiện tượng quá nhiệt. Nó cần một mầm sẵn có kích thước đủ lớn để bọt bắt đầu phình.

Mầm nằm trong vết xước đáy nồi

Đáy nồi nhìn thì nhẵn nhưng ở mức hiển vi đầy rãnh và kẽ. Khi đổ nước vào, nước không len hết vào những kẽ rất hẹp; không khí bị nhốt lại trong đó. Những túi khí ấy là mầm. Khi đáy nóng lên, hơi nước bốc vào túi khí, túi phình ra, vượt qua miệng kẽ, tách lên thành bọt, nhưng để lại một chút khí trong kẽ làm mầm cho bọt tiếp theo. Vì thế bọt hay mọc thành chuỗi từ cùng một điểm. Nồi cũ trầy xước sôi "lắm điểm" hơn nồi mới nhẵn bóng.

Bọt nhỏ đầu tiên là khí hoà tan

Những bọt lấm tấm bám thành nồi ngay khi nước mới ấm không phải hơi nước. Nước máy luôn hoà tan một ít không khí, và nước càng nóng càng giữ được ít khí. Không khí thoát ra, gom thành bọt nhỏ bám vào thành. Hiện tượng này giống cốc nước để qua đêm thấy lấm tấm bọt.

Bọt xẹp giữa chừng và sôi lăn tăn

Đáy nồi đã quá 100 °C nhưng lớp nước phía trên còn nguội hơn. Bọt hơi nước rời đáy, gặp nước nguội, hơi ngưng lại thành nước, bọt teo và xẹp trước khi tới mặt. Tiếng reo của ấm nước trước khi sôi chính là do những bọt xẹp này, chuyện đó được kể ở bài riêng về âm thanh. Khi toàn bộ nước đã đạt nhiệt độ sôi, bọt không còn bị xẹp, lên tới mặt và vỡ: sôi lăn tăn rồi sôi cuồn cuộn.

Các chặng của một nồi nước

Ở độ cao ngang mực nước biển, nước sôi ở khoảng 100 °C; lên núi cao áp suất thấp hơn thì nhiệt độ sôi thấp hơn.

Muối: vì sao bùng bọt

Mầm mới đổ vào cùng lúc

Nước gần sôi đang ở trạng thái "sẵn sàng": nhiều chỗ đã đủ nóng để hơi nước phình thành bọt, chỉ thiếu mầm. Rắc một nhúm muối hạt vào, mỗi tinh thể muối có góc cạnh, vết nứt, cộng không khí bám theo khi rơi vào nước. Mầm có ngay trong lòng nước, hơi nước ào vào, bọt sinh ra hàng loạt. Đó là cảnh nồi nước bùng lên trong vài giây. Đổ đường, cát sạch, thậm chí thả một chiếc thìa nhám vào cũng gây hiệu ứng tương tự.

Muối không làm nước sôi nhanh hơn

Ngược lại, muối hoà tan còn làm nhiệt độ sôi của nước tăng một chút. Nhưng lượng muối nấu ăn quá nhỏ để thấy khác biệt: một thìa cà phê muối (khoảng 6 gam) trong một lít nước chỉ nâng nhiệt độ sôi khoảng 0,1 °C. Ta chẳng thể cảm nhận. Cái bùng bọt nhìn thì giống "sôi mạnh hơn", thật ra là hơi nước vốn đã sẵn sàng được giải phóng nhờ mầm. Sau khi muối tan hết, mầm biến mất, nồi trở lại sôi như bình thường.

Nước quá nhiệt: chỗ thật sự nguy hiểm

Đun nước trong cốc thuỷ tinh hoặc sứ thật nhẵn, đặc biệt bằng lò vi sóng (nước nóng lên mà không có đáy nồi nóng làm mầm), nước có thể vượt quá nhiệt độ sôi mà vẫn yên lặng. Khi ta thả túi trà, đường, cà phê hay cắm thìa vào, mầm xuất hiện đột ngột và nước có thể phụt trào ra khỏi cốc, gây bỏng. Các hướng dẫn an toàn khuyên: không đun nước quá lâu trong lò vi sóng, đặt một que gỗ hoặc thìa gỗ chịu nhiệt trong cốc khi đun, để cốc nghỉ chừng nửa phút trước khi lấy ra, và giữ mặt, tay cách xa miệng cốc.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Cho muối vào nước sôi nhanh hơn." Sai. Muối hơi nâng nhiệt độ sôi; cái bùng bọt chỉ là hơi nước được giải phóng nhờ mầm.
• "Bọt đầu tiên là nước đã sôi." Bọt li ti bám thành nồi lúc nước mới ấm là khí hoà tan thoát ra.
• "Bọt sôi chứa không khí." Bọt nước đang sôi chủ yếu là hơi nước, không phải không khí.
• "Nước sôi lâu thì nóng hơn." Nước sôi ở áp suất bình thường giữ khoảng 100 °C dù đun bao lâu; lửa to chỉ làm sôi mạnh hơn, hao nước nhanh hơn. Nồi áp suất mới nâng được nhiệt độ sôi.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Người lớn làm, trẻ em đứng cách bếp ít nhất một sải tay. Dùng nồi có tay cầm chắc, đặt vững, quay tay cầm vào trong, không dùng lò vi sóng cho thí nghiệm này.

1. Theo dõi các chặng. Đổ khoảng một lít nước vào nồi thuỷ tinh hoặc nồi có nắp kính, đun lửa vừa. Ghi lại thời điểm thấy bọt khí li ti, chuỗi bọt đầu tiên, bọt lên tới mặt, sôi cuồn cuộn. Đối chiếu với bảng trên và với ba lần sôi của Lục Vũ.
2. Tìm điểm mầm. Khi chuỗi bọt xuất hiện, để ý xem chúng có mọc từ cùng vài điểm trên đáy không. Chụp ảnh hai lần cách nhau một phút để so.
3. Thử muối. Tắt bếp đúng lúc nước sắp sôi. Đứng lùi lại, người lớn dùng thìa dài rắc một nhúm nhỏ muối hạt từ trên cao xuống giữa nồi. Quan sát bọt bùng lên rồi lắng xuống. Không đổ cả nắm muối, không cúi mặt nhìn sát.
4. So nhiệt độ. Nếu nhà có nhiệt kế nấu ăn, đo nhiệt độ nước sôi trước và sau khi cho một thìa muối. Chênh lệch rất nhỏ, có thể không đọc được trên nhiệt kế gia đình, và đó chính là kết quả đáng ghi.