Khoảnh khắc vặn nắp chai nước ngọt có ga, có tiếng “xì” vang lên, và những bọt nhỏ liên tục trồi lên từ bên trong chai. Có thể bạn từng thắc mắc vì sao thức uống trong veo, lặng lẽ lúc đóng nắp lại thay đổi nhiều đến thế chỉ vì mở nắp. Thứ thay đổi không phải là khí trong chai mà là áp suất trong chai.
Công thức duy nhất giải thích hiện tượng này là Định luật Henry (Henry's Law). Ở nhiệt độ không đổi, lượng khí hòa tan trong chất lỏng tỉ lệ thuận với áp suất của khí tiếp xúc với chất lỏng đó, và định luật được áp dụng rộng rãi, từ một chai nước ngọt cho tới việc lặn sâu dưới biển.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt xem định luật Henry nói gì, điều gì xảy ra trong cơ thể thợ lặn, và khi nào định luật này không còn đúng.
Nguyên lý áp suất giữ khí lại trong chất lỏng
Điều xảy ra ngay khi mở nắp
Đồ uống có ga là loại được nén carbon dioxide dưới áp suất cao để hòa tan vào bên trong. Nguồn gốc của phương pháp này có thể truy về cuối thế kỷ 18, khi Joseph Priestley người Anh hòa tan carbon dioxide vào nước để tạo ra nước có ga. Khoảng trống ở phần trên chai chứa đầy carbon dioxide với áp suất cao hơn áp suất khí quyển, và chính áp suất đó giữ một lượng lớn khí trong đồ uống.
Khi mở nắp, áp suất phía trên giảm đột ngột xuống bằng áp suất khí quyển. Ở áp suất mới, đồ uống không thể giữ hòa tan nhiều khí như vậy nên lượng carbon dioxide dư thoát ra thành những bọt nhỏ. Đó chính là bản chất của bọt. Đồ uống bị lắc rồi mới mở trào ra mạnh hơn vì những bọt nhỏ hình thành khi lắc trở thành “hạt giống”, khí đang hòa tan dồn về đó cùng một lúc. Đồ uống mở nắp để lâu sẽ bị mất ga cũng vì lý do này: khí cứ thoát ra cho tới khi đạt lượng cân bằng ở áp suất mới.
Định luật Henry nói gì
Định luật này ra đời từ một thí nghiệm năm 1803 của nhà hóa học người Anh William Henry, khi ông đo lượng khí hòa tan trong nước trong lúc thay đổi áp suất và nhiệt độ. Kết quả được đăng cùng năm trên tạp chí của Hội Hoàng gia Anh, và ông chỉ ra rằng khi tăng áp suất lên gấp đôi, gấp ba thì lượng khí nước hấp thụ cũng gấp đôi, gấp ba. Công thức được viết là C = k × P, nghĩa là nồng độ khí C tỉ lệ thuận với áp suất P. Ví dụ, nếu áp suất tăng từ 1 atm lên 4 atm thì lượng carbon dioxide hòa tan ở cùng nhiệt độ cũng tăng gấp bốn lần.
- Độ hòa tan (Solubility): lượng khí có thể hòa tan trong một lượng chất lỏng nhất định.
- Áp suất riêng phần (Partial Pressure): áp suất mà một khí chiếm trong hỗn hợp nhiều khí; định luật áp dụng cho áp suất riêng phần của từng khí chứ không phải tổng áp suất.
- Hằng số Henry (Henry's Law Constant): giá trị tương ứng với k trong công thức trên, khác nhau với mỗi cặp khí và chất lỏng và cũng thay đổi theo nhiệt độ.
Lý do cùng một áp suất mà có khí tan tốt trong nước, có khí tan kém chính là vì hằng số này khác nhau. Định luật không nói khí tan tốt đến mức nào, mà nói về quan hệ tỉ lệ: áp suất tăng gấp đôi thì lượng tan cũng gấp đôi.
Điều xảy ra trong cơ thể thợ lặn
Định luật Henry cũng gắn trực tiếp với sự an toàn của những người làm việc dưới nước. Cứ mỗi 10 mét sâu thêm, áp suất tăng khoảng 1 atm, và trong máu cùng mô của thợ lặn hít thở không khí, nitơ hòa tan nhiều hơn tương ứng với phần áp suất tăng thêm.
Vấn đề nằm ở lúc đi lên. Nếu trồi lên mặt nước quá nhanh, áp suất giảm đột ngột, nitơ đang hòa tan trong mô không kịp thoát ra mà biến thành bọt trong mạch máu. Đây là bệnh giảm áp (Decompression Sickness), thường gọi là bệnh thợ lặn, có thể gây từ đau khớp, nổi mẩn da cho tới liệt trong trường hợp nặng.
(1) Đi lên từ từ
Thợ lặn nổi lên chậm với tốc độ quy định và dừng nghỉ giữa chừng, để nitơ trong cơ thể có thời gian thoát ra qua hơi thở.
(2) Thay nitơ bằng khí khác
Khi làm việc ở nơi rất sâu, đôi khi người ta dùng hỗn hợp khí có heli thay cho nitơ, vì heli hòa tan trong máu kém hơn nitơ.
(3) Đưa áp suất trở lại
Nếu triệu chứng đã xuất hiện, người bệnh vào buồng điều trị có áp suất cao để các bọt trong cơ thể tan trở lại, rồi áp suất được hạ từ từ.
Cả ba cách đều theo cùng một nguyên lý, ở chỗ chúng điều chỉnh tốc độ áp suất giảm hoặc làm cho khí khó hòa tan hơn. Thứ mà một công thức giải thích không chỉ là thức uống sủi bọt mà còn là những gì diễn ra bên trong cơ thể con người.
Khi định luật không đúng
Định luật Henry đúng khi các điều kiện được đáp ứng, chứ không phải ở đâu cũng áp dụng được. Trong dung dịch thực, quan hệ tỉ lệ lệch đi đôi chút tùy cách các phân tử khí tương tác với phân tử chất lỏng. Biết khi nào nó lệch thì mới không đọc sai giá trị.
(1) Khi nhiệt độ thay đổi
Dù cùng áp suất, chất lỏng ấm lên thường hòa tan ít khí hơn. Nước ngọt có ga để âm ấm dễ mất ga hơn cũng là vì hằng số Henry thay đổi theo nhiệt độ.
(2) Khi khí phản ứng hóa học với chất lỏng
Những khí phản ứng với nước và phân li thành ion, như hydro clorua hay amoniac, lệch khỏi quan hệ tỉ lệ đơn giản. Đó là vì một phần khí đã hòa tan đã biến thành chất khác.
(3) Khi áp suất rất cao hoặc nồng độ đậm đặc
Khi khí chịu áp suất rất cao, hoặc tan nhiều đến mức dung dịch không còn loãng, quan hệ tỉ lệ bị phá vỡ. Định luật chính xác nhất với dung dịch loãng và áp suất không quá lớn.
Mặt khác, việc nước càng sâu thì áp suất càng cao và có thể hòa tan nhiều carbon dioxide cũng là một mối nguy trong tự nhiên. Năm 1986 tại hồ Nyos ở Cameroon, carbon dioxide tích tụ dưới đáy sâu của hồ bất ngờ phun trào, khiến ít nhất 1.700 người thiệt mạng. Khí đang hòa tan cũng có nghĩa là nó có thể được giải phóng bất cứ lúc nào.
Biết định luật đúng đến đâu cũng quan trọng như biết chính định luật. Một định luật được dùng khi hiểu rõ điều kiện là đáng tin cậy nhất. Con mắt biết đọc xem khí vô hình ở lại bao nhiêu và rời đi bao nhiêu theo áp suất chính là bước đầu tiên để hiểu định luật Henry.
