Sắt và gỗ để cùng một phòng thì có cùng nhiệt độ, nhưng tay ta không đo nhiệt độ của vật: tay đo tốc độ nhiệt rời khỏi da. Sắt dẫn nhiệt nhanh gấp vài trăm lần gỗ, nên nó rút hơi ấm của bàn tay đi rất nhanh và chỗ da tiếp xúc nguội xuống ngay; gỗ dẫn nhiệt kém, lớp gỗ sát tay ấm lên gần bằng da nên ta thấy "ấm". Cái cảm giác lạnh ấy là thật, chỉ có điều nó nói về vật liệu chứ không nói về nhiệt độ.
Cảnh quen thuộc: cùng một chỗ, hai cảm giác
Sáng mùa đông ở Hà Nội, bạn bước chân trần từ tấm thảm xuống nền gạch men: gạch lạnh buốt, thảm thì dễ chịu. Ở quán cà phê, chiếc ghế inox lạnh hơn hẳn chiếc ghế gỗ bên cạnh. Trên lan can cầu thang, đoạn tay vịn bằng sắt lạnh, đoạn bằng gỗ không. Chìa khoá trong ngăn kéo lạnh hơn cuốn sổ nằm cạnh nó.
Nếu đặt một nhiệt kế lên từng thứ và chờ đủ lâu, bạn sẽ thấy chúng chỉ cùng một con số, đúng bằng nhiệt độ phòng. Đây là điều dễ kiểm chứng: mọi vật để lâu trong cùng một không gian đều đạt cân bằng nhiệt với không khí xung quanh. Không có lý do gì để chiếc thìa kim loại tự "giữ lạnh" trong khi cái thớt gỗ cạnh nó thì không.
Vậy cái sai nằm ở đâu? Không ở vật, mà ở cách ta hiểu bàn tay mình.
Bàn tay là cảm biến dòng nhiệt, không phải nhiệt kế
Dưới da có các đầu mút thần kinh nhạy với nóng và lạnh. Chúng báo cho não biết nhiệt độ của chính lớp da, và đặc biệt nhạy với việc nhiệt độ ấy thay đổi nhanh hay chậm. Da tay bình thường ấm khoảng 30–34 °C, cao hơn hầu hết đồ vật trong phòng.
Khi chạm vào một vật nguội hơn, nhiệt đi từ da sang vật. Câu hỏi then chốt là: nhiệt đi nhanh tới đâu, và vật có "nuốt" được lượng nhiệt đó mà không ấm lên không?
- Với sắt: nhiệt vừa sang tới bề mặt đã bị dẫn ngay vào sâu bên trong khối kim loại. Bề mặt sắt chỗ tiếp xúc gần như không ấm lên, nên nó tiếp tục hút nhiệt khỏi da. Da nguội xuống nhanh, đầu mút thần kinh báo "lạnh".
- Với gỗ: nhiệt sang tới bề mặt rồi kẹt lại, vì gỗ dẫn nhiệt rất kém (bên trong gỗ có vô số khoang nhỏ chứa không khí). Lớp gỗ mỏng sát tay ấm lên nhanh, gần bằng nhiệt độ da. Dòng nhiệt chậm hẳn lại, da gần như không bị mất nhiệt, ta thấy "ấm" hoặc "bình thường".
Nói gọn: da cảm nhận được nhiệt độ ở mặt tiếp xúc, và nhiệt độ đó nằm đâu đó giữa nhiệt độ da và nhiệt độ vật. Vật nào "kéo" mặt tiếp xúc về phía mình mạnh hơn thì ta cảm thấy nhiệt độ của vật đó rõ hơn.
Con số đằng sau: độ dẫn nhiệt và "độ hút nhiệt"
Độ dẫn nhiệt cho biết vật liệu truyền nhiệt nhanh cỡ nào. Thép thường dẫn nhiệt khoảng 50 W/m·K, nhôm khoảng 200, đồng khoảng 400, trong khi gỗ thông chỉ khoảng 0,1–0,2 và thuỷ tinh khoảng 1. Tức là đồng dẫn nhiệt tốt hơn gỗ cỡ vài nghìn lần.
Nhưng cảm giác khi chạm còn phụ thuộc vật đó cần bao nhiêu nhiệt để ấm lên (nhiệt dung) và nặng nhẹ ra sao (khối lượng riêng). Các nhà kỹ thuật gộp cả ba vào một đại lượng gọi là độ hút nhiệt (thermal effusivity), bằng căn bậc hai của tích ba thứ: độ dẫn nhiệt × khối lượng riêng × nhiệt dung riêng. Nói bằng lời: độ hút nhiệt càng lớn, vật càng giỏi rút nhiệt khỏi thứ chạm vào nó mà bản thân không ấm lên.
Khi hai vật chạm nhau, nhiệt độ ở mặt tiếp xúc (trong mô hình lý tưởng) là trung bình có trọng số của hai nhiệt độ, với trọng số chính là độ hút nhiệt. Bảng dưới đây là ước tính cho bàn tay ấm 33 °C chạm vào vật ở 20 °C. Đây là số tính theo mô hình đơn giản, thực tế còn tuỳ độ ẩm da, độ nhám bề mặt và lực ấn, nhưng thứ tự thì đúng.
| Vật liệu | Độ dẫn nhiệt (W/m·K, khoảng) | Độ hút nhiệt (khoảng) | Nhiệt độ mặt tiếp xúc ước tính | Cảm giác |
|---|---|---|---|---|
| Đồng | 400 | 37.000 | ≈ 20,4 °C | Lạnh buốt |
| Nhôm | 200–237 | 24.000 | ≈ 20,6 °C | Rất lạnh |
| Thép, inox | 15–50 | 8.000–14.000 | ≈ 21 °C | Lạnh |
| Đá, gạch men | 1–3 | 1.500–2.500 | ≈ 24–26 °C | Mát rõ |
| Thuỷ tinh | khoảng 1 | 1.450 | ≈ 26 °C | Mát |
| Gỗ thông | 0,1–0,2 | 300–400 | ≈ 30 °C | Gần như ấm |
| Xốp, thảm len | 0,03–0,05 | dưới 100 | ≈ 32 °C | Ấm |
Da người có độ hút nhiệt cỡ 1.000–1.500. Nhìn bảng sẽ thấy: chạm vào kim loại, mặt tiếp xúc gần như bằng nhiệt độ của kim loại; chạm vào gỗ hay xốp, mặt tiếp xúc gần bằng nhiệt độ của da. Đó là toàn bộ bí mật.
Lật ngược: khi vật nóng hơn tay
Quy luật trên chạy theo cả hai chiều. Nếu vật nóng hơn da, vật có độ hút nhiệt lớn sẽ đổ nhiệt vào tay nhanh hơn, nên trông nó nóng hơn.
- Xe máy dựng giữa nắng trưa: yên xe bọc da hoặc nỉ nóng, nhưng phần kim loại như ốp pô, khoá, tay thắng mới làm ta rụt tay. Một phần vì kim loại hấp thụ và giữ nhiệt khác, nhưng phần lớn vì nó truyền nhiệt sang da quá nhanh.
- Ghế đá công viên và ghế gỗ để chung một chỗ nắng: ngồi xuống ghế đá thấy hầm hập hơn hẳn.
- Phòng xông hơi khô kiểu Phần Lan có không khí khoảng 80–100 °C, người vẫn ngồi được trên băng ghế gỗ. Nhưng chạm vào đinh hay bộ phận kim loại của bếp đá thì bỏng ngay. Gỗ ở nhiệt độ ấy vẫn chạm được trong chốc lát, kim loại thì không.
- Trong bếp: khay nướng và chiếc bánh vừa ra khỏi lò cùng một nhiệt độ, nhưng chạm vào khay là bỏng, còn ruột bánh xốp thì cầm được (bánh còn hơi nước, phải cẩn thận hơi nóng).
Có một nhiệt độ mà ở đó mọi vật đều "trung tính": đúng bằng nhiệt độ da. Một thanh sắt ở khoảng 33 °C chạm vào thấy không nóng không lạnh, gần như không cảm nhận được. Đây cũng là lý do vì sao nước tắm ở khoảng 34–35 °C cho cảm giác "không thấy gì".
Những hiện tượng họ hàng quanh nhà
Gạch men và thảm
Nền gạch men, đá granite có độ hút nhiệt lớn hơn thảm hàng chục lần. Mùa hè, nền gạch "mát chân" là nhờ chính tính chất làm nó "lạnh chân" vào mùa đông. Người ta nằm sàn gạch cho mát, vật nuôi cũng hay nằm bẹp xuống nền nhà vào trưa hè: chúng tìm đúng bề mặt hút nhiệt khỏi cơ thể nhanh nhất.
Nồi quai gỗ, cán nhựa
Quai nồi, cán chảo làm bằng gỗ, nhựa chịu nhiệt hay bọc silicon không phải chỉ vì chúng dẫn nhiệt kém (nên phần cán không bị nóng theo thân nồi), mà còn vì kể cả khi ấm lên, chúng truyền nhiệt sang tay chậm. Cầm được trong thời gian ngắn, ít nguy cơ bỏng.
Kim loại ẩm và giá rét
Ở vùng rất lạnh, khi kim loại xuống dưới 0 °C nhiều, chạm lưỡi hay tay ướt vào có thể bị dính: hơi ẩm trên da đông thành băng ngay ở mặt tiếp xúc, vì kim loại rút nhiệt quá nhanh. Ở Việt Nam hiếm gặp, nhưng có thể xảy ra với khay đá trong ngăn đông tủ lạnh. Đừng thử bằng lưỡi.
Hiểu lầm thường gặp
- "Kim loại tự lạnh hơn." Không. Để đủ lâu trong cùng một phòng, kim loại và gỗ có cùng nhiệt độ. Ta cảm thấy khác vì tốc độ mất nhiệt khác.
- "Gỗ toả ra hơi ấm." Gỗ không sinh nhiệt. Cảm giác ấm chỉ là da ta ít bị mất nhiệt hơn.
- "Áo len làm ấm người." Áo len không tạo ra nhiệt; nó giữ lớp không khí đứng yên quanh người, và không khí đứng yên là chất cách nhiệt tốt. Cùng nguyên lý với gỗ xốp.
- "Tay mình chính xác, sờ là biết nóng hay lạnh." Tay chỉ đáng tin khi so hai vật cùng loại vật liệu. Giữa hai vật liệu khác nhau, tay đánh lừa ta có hệ thống.
Một ví dụ kinh điển về sự "lừa" này là thí nghiệm ba chậu nước, được nhắc tới từ thời triết gia John Locke ở thế kỷ 17: ngâm một tay vào nước nóng vừa phải, tay kia vào nước lạnh, rồi nhúng cả hai vào chậu nước ấm. Tay vừa ở nước nóng thấy chậu giữa lạnh, tay kia thấy ấm. Cùng một chậu nước, hai cảm giác trái ngược: da báo sự thay đổi, không báo con số tuyệt đối.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Thí nghiệm 1: viên đá trên hai mặt bàn
- Lấy hai viên đá lạnh cùng cỡ từ tủ lạnh.
- Đặt một viên lên một vật kim loại phẳng, dày (chảo gang nguội, khay nhôm, mặt inox của bồn rửa), viên kia lên thớt gỗ hoặc đĩa nhựa dày.
- Chờ vài phút và quan sát.
Viên trên kim loại tan nhanh hơn rõ rệt, có khi tan gần hết trong khi viên trên gỗ vẫn còn gần nguyên. Ngạc nhiên ở chỗ: nhiều người đoán ngược lại, vì "kim loại sờ thấy lạnh hơn". Thật ra chính vì kim loại dẫn nhiệt tốt nên nó đưa nhiệt của căn phòng vào viên đá nhanh hơn, cũng như nó rút nhiệt khỏi tay bạn nhanh hơn. Hai hiện tượng là một.
Thí nghiệm 2: nhiệt kế kiểm chứng
Nếu có nhiệt kế điện tử dạng que hoặc nhiệt kế hồng ngoại (loại đo trán, đo bề mặt), đo lần lượt nền gạch, thảm, mặt bàn gỗ và chân bàn sắt trong cùng một phòng. Các số sẽ gần như bằng nhau. Riêng nhiệt kế hồng ngoại có thể lệch với bề mặt kim loại bóng loáng, vì kim loại bóng phản xạ hồng ngoại; dán một mẩu băng dính giấy lên rồi đo vào băng dính sẽ chuẩn hơn.
Thí nghiệm 3: so lòng bàn tay
Áp đồng thời một tay lên mặt bàn gỗ, một tay lên mặt kim loại của chiếc laptop hay chân ghế inox. Giữ yên khoảng một phút. Bạn sẽ thấy cảm giác lạnh ở tay chạm kim loại giảm dần nhưng không hết, vì kim loại vẫn tiếp tục dẫn nhiệt đi. Bên gỗ thì vùng da tiếp xúc ấm hẳn lên, nhấc tay ra còn thấy mặt gỗ ấm hình bàn tay.
Lưu ý an toàn: chỉ thử với đồ ở nhiệt độ phòng. Không chạm vào kim loại đang phơi nắng gắt, nồi chảo vừa đun, hay khay đá trong ngăn đông bằng tay ướt. Không áp lưỡi vào kim loại lạnh.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao sờ sắt thấy lạnh hơn gỗ?
Vì sắt dẫn nhiệt nhanh hơn gỗ hàng trăm lần. Khi chạm vào, sắt rút nhiệt khỏi da nhanh, chỗ da tiếp xúc nguội đi và ta thấy lạnh. Gỗ dẫn nhiệt kém nên lớp gỗ sát tay ấm lên gần bằng da, ta thấy ấm hơn dù hai vật cùng nhiệt độ.
Sắt và gỗ để cùng phòng có cùng nhiệt độ không?
Có. Mọi vật để đủ lâu trong cùng một không gian đều đạt cân bằng nhiệt với không khí xung quanh. Đo bằng nhiệt kế sẽ ra cùng một con số; chỉ cảm giác của tay là khác.
Vì sao nền gạch lạnh chân hơn thảm?
Gạch men và đá có độ hút nhiệt lớn hơn thảm hàng chục lần, nên rút nhiệt khỏi bàn chân nhanh hơn. Thảm chứa nhiều không khí đứng yên, cách nhiệt tốt, nên chân gần như không bị mất nhiệt.
Đồ kim loại phơi nắng vì sao bỏng tay hơn đồ gỗ?
Cùng nguyên lý theo chiều ngược lại. Khi vật nóng hơn da, kim loại đổ nhiệt vào tay rất nhanh nên dễ bỏng. Gỗ nóng cùng nhiệt độ truyền nhiệt chậm, chạm nhanh thường chịu được.
Viên đá đặt trên kim loại hay trên gỗ tan nhanh hơn?
Trên kim loại. Kim loại dẫn nhiệt tốt nên đưa nhiệt từ không khí và mặt bàn vào viên đá nhanh hơn. Đây cũng chính là lý do kim loại sờ thấy lạnh: nó giỏi chuyển nhiệt theo cả hai chiều.
