Khi đun nước trên bếp, các bong bóng nhỏ li ti xuất hiện ở đáy nồi là dấu hiệu cho thấy nước đang tiến gần đến trạng thái sôi. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, kích thước và số lượng bong bóng tăng dần, cho đến khi nước sôi mạnh ở khoảng 100°C trong điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn.
Tuy nhiên, khi đun nước bằng lò vi sóng, hiện tượng sôi đôi khi không kèm theo bong bóng rõ rệt. Điều này đặt ra câu hỏi: vì sao nước sôi thường tạo bong bóng, nhưng trong lò vi sóng lại có thể không xuất hiện bọt khí trước khi sôi?
Theo các nhà động lực học chất lỏng, khi nước được gia nhiệt từ một nguồn như bếp, các mầm bong bóng ở kích thước vi mô và nano liên tục hình thành rồi vỡ ra tại các điểm không đồng nhất trên bề mặt vật chứa. Tuy nhiên, nhiệt độ thực tế để các bong bóng ổn định hình thành có thể cao hơn nhiệt độ sôi lý thuyết.
Jonathan Boreyko, nhà nghiên cứu động lực học chất lỏng tại Viện Công nghệ Virginia, giải thích rằng điểm sôi là nhiệt độ tại đó pha hơi trở nên thuận lợi về mặt nhiệt động so với pha lỏng. Trên 100°C ở áp suất khí quyển chuẩn, thế hóa học của nước ở pha hơi thấp hơn pha lỏng, khiến trạng thái khí trở nên ổn định hơn về mặt năng lượng.
Tuy nhiên, để nước thực sự sôi, cần phải hình thành các bong bóng hơi đủ lớn và ổn định. Quá trình này đòi hỏi năng lượng bổ sung để tạo ra một giao diện giữa pha lỏng và pha khí. Vì vậy, việc pha hơi trở nên thuận lợi về nhiệt động không đồng nghĩa với việc nước lập tức sôi.
Nhiệt độ sôi quan sát được trên thực tế là kết quả của sự cân bằng giữa hai yếu tố: năng lượng tự do giảm khi chuyển từ lỏng sang hơi và năng lượng cần thiết để hình thành bề mặt phân cách giữa hai pha.
Bong bóng hơi không chỉ là một thể tích khí mà còn là một bề mặt phân cách khí - lỏng. Bề mặt này chịu tác động của sức căng bề mặt, một đại lượng vật lý thể hiện chi phí năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt. Sức căng bề mặt có xu hướng làm giảm diện tích bề mặt, tức là làm bong bóng co lại hoặc vỡ ra.
Do đó, một bong bóng chỉ ổn định khi lợi ích năng lượng từ việc chuyển pha lớn hơn chi phí năng lượng do sức căng bề mặt gây ra. Các bong bóng rất nhỏ có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, nên chi phí năng lượng tương đối cao, khiến chúng khó ổn định. Ngược lại, bong bóng lớn hơn có tỷ lệ diện tích trên thể tích nhỏ hơn, nên dễ tồn tại hơn.
Trong một số điều kiện, nước có thể bị đun nóng vượt quá 100°C mà vẫn chưa sôi, hiện tượng này gọi là quá nhiệt. Đây là trạng thái siêu bền, trong đó chất lỏng ở nhiệt độ cao hơn điểm sôi nhưng chưa hình thành bong bóng do thiếu các tâm tạo mầm thích hợp.
Mirko Gallo, nhà động lực học chất lỏng tại Đại học Sapienza (Rome), cho biết nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành bong bóng, bao gồm khí hòa tan, tạp chất trong nước và đặc điểm bề mặt của vật chứa. Các khuyết tật vi mô hoặc bề mặt nhám tạo ra các tâm tạo mầm, làm giảm rào cản năng lượng cho sự hình thành bong bóng.
Nếu một bong bóng hình thành tại một cạnh hoặc khe nhỏ trên bề mặt vật chứa, nó chỉ cần tạo ra một phần bề mặt hình cầu thay vì toàn bộ, từ đó giảm năng lượng cần thiết để hình thành. Đây là lý do các bong bóng đầu tiên thường xuất hiện ở đáy hoặc thành nồi.
Đun sôi nước trong lò vi sóng
Ngược lại, trong lò vi sóng, nước được gia nhiệt bằng sóng điện từ kích thích trực tiếp các phân tử trong toàn bộ thể tích chất lỏng. Quá trình gia nhiệt này có thể diễn ra tương đối đồng đều và nhanh, đặc biệt khi sử dụng cốc thủy tinh nhẵn. Khi thiếu các tâm tạo mầm và các điểm nóng cục bộ, nước có thể bị quá nhiệt, đôi khi vượt quá 100°C đáng kể mà chưa sôi.
Trạng thái quá nhiệt tiềm ẩn nguy cơ. Chỉ cần một tác động cơ học nhỏ, chẳng hạn như đặt thìa vào cốc hoặc làm rung nhẹ vật chứa, sự hình thành bong bóng có thể xảy ra đột ngột, giải phóng năng lượng tích lũy và gây sôi bùng mạnh.
Hiện tượng quá nhiệt không chỉ xảy ra với nước mà có thể xuất hiện ở nhiều chất lỏng khác. Tuy nhiên, do nước có sức căng bề mặt tương đối cao so với nhiều chất lỏng thông thường, hiệu ứng này có thể biểu hiện rõ rệt hơn trong những điều kiện thích hợp.
