Nước nóng nổi, nước lạnh chìm: phân tầng nhiệt trong hồ và bình nóng lạnh

Nước nóng nổi trên nước lạnh vì khi nóng lên nước nở ra, cùng một lít mà nhẹ hơn. Nhờ vậy mặt hồ mùa hè có một lớp nước ấm nằm trên lớp nước mát ở sâu, và bình nóng lạnh luôn lấy nước nóng ra ở phía trên, còn nước lạnh được cấp vào ở đáy. Các lớp nước nóng lạnh ít trộn vào nhau nếu không có gió, dòng chảy hay ai đó khuấy lên.

Nước nóng nhẹ hơn nước lạnh bao nhiêu?

Không nhiều, nhưng đủ. Bảng dưới là khối lượng riêng của nước tinh khiết ở một số nhiệt độ, theo các bảng tra vật lý phổ thông:

Từ 20 °C lên 60 °C, nước nhẹ đi khoảng 1,5%. Con số nhỏ, nhưng trong một bình nước đứng yên thì chênh lệch nhỏ ấy đủ để nước nóng luôn tìm đường đi lên, nước lạnh luôn tìm đường đi xuống. Đây là gốc rễ của dòng đối lưu: lửa đun ở đáy nồi, nước đáy nóng lên, nhẹ đi, trồi lên; nước mặt nguội hơn chìm xuống thế chỗ.

Vì sao lại là 4 °C?

Nước là chất lỏng "lạ". Hầu hết chất lỏng càng lạnh càng đặc, nhưng nước chỉ đặc dần tới khoảng 4 °C; lạnh hơn nữa thì nước lại nở ra chút ít, và khi đóng băng thì nở hẳn khoảng 9%. Vì vậy ở xứ lạnh, đáy hồ sâu mùa đông thường giữ khoảng 4 °C, còn băng nổi trên mặt, cá sống được bên dưới. Ở Việt Nam nước hồ không xuống tới mức ấy, nhưng hiện tượng phân tầng nhiệt mùa nóng thì gặp ở khắp nơi.

Hồ, ao mùa hè phân tầng thế nào?

Nắng chiếu xuống mặt hồ, sưởi ấm chủ yếu vài mét nước trên cùng. Lớp nước ấm ấy nhẹ hơn, nằm yên trên lớp nước mát bên dưới. Ở các hồ đủ sâu, sách thuỷ văn chia ba tầng:

1. Tầng mặt: ấm, được gió khuấy trộn, nhiều ôxy vì tiếp xúc không khí và có tảo quang hợp.
2. Tầng chuyển tiếp: nhiệt độ giảm nhanh theo độ sâu. Đây như một "tấm màn" mềm ngăn hai tầng trên dưới trộn vào nhau.
3. Tầng đáy: mát hơn, ít ánh sáng, ôxy cạn dần vì vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ dưới đáy mà không được bổ sung từ trên xuống.

Ai từng bơi ở hồ, ở sông đoạn nước lặng vào trưa hè đều đã cảm nhận: mặt nước ấm như nước tắm, duỗi chân xuống sâu chừng một hai mét đã thấy mát lạnh hẳn. Đó là chạm vào tầng dưới.

Các hồ chứa lớn như hồ Hoà Bình (nay thuộc Phú Thọ) hay hồ Trị An (Đồng Nai) cũng phân tầng nhiệt trong mùa nóng. Điều này ảnh hưởng tới chất lượng nước lấy ở các độ sâu khác nhau và tới việc vận hành xả nước, nên các nghiên cứu thuỷ văn về hồ chứa thường đo nhiệt độ theo từng tầng sâu.

Vì sao ao nuôi cá hay "đảo tầng" sau cơn mưa rào?

Ao nuôi nông hơn hồ, nhưng vào những ngày nắng gắt, lặng gió, ao cũng phân tầng trong ngày: mặt ao ấm, nhiều ôxy nhờ tảo; đáy ao mát hơn và thiếu ôxy dần.

Chiều tối có một trận mưa rào lớn. Nước mưa mát rơi xuống mặt ao, cùng với gió mạnh làm tầng mặt nguội nhanh, nặng lên và chìm xuống. Nước đáy thiếu ôxy, có thể kèm khí độc từ bùn, bị đẩy lên trộn khắp ao. Lượng ôxy trung bình cả ao tụt mạnh trong một thời gian ngắn. Người nuôi gọi là ao bị "đảo tầng" hay "lật tầng"; dấu hiệu dễ thấy là tôm cá nổi đầu lên mặt để đớp khí vào sáng sớm hôm sau.

Cách người nuôi phòng tránh dựa đúng vào cơ chế phân tầng:

• Chạy quạt nước, máy sục khí thường xuyên trong ngày nắng để trộn đều dần, không để tầng đáy thiếu ôxy tích tụ.
• Tăng sục khí trước và sau những trận mưa lớn, nhất là ban đêm.
• Giữ đáy ao sạch, hạn chế thức ăn thừa, vì chất hữu cơ dưới đáy là thứ tiêu thụ ôxy.

Bình nóng lạnh tận dụng phân tầng nhiệt ra sao?

Bình nóng lạnh gia đình là một thùng kín có thanh đốt bên trong và hai đường ống: ống cấp nước lạnh vào, ống lấy nước nóng ra. Thiết kế dựa trên phân tầng nhiệt:

• Nước nóng lấy ra ở đỉnh bình, nơi nước nóng nhất tự dồn lên.
• Nước lạnh cấp vào ở đáy bình, thường qua một ống dẫn chạy xuống gần đáy hoặc có tấm chắn để dòng nước lạnh vào nằm êm dưới đáy, không phun lên trộn với nước nóng phía trên.

Khi mở vòi nóng, nước lạnh vào đáy đẩy khối nước nóng lên và ra ngoài như một chiếc pít-tông mềm. Nhờ vậy nước ra giữ nóng khá đều cho tới khi phần lớn nước nóng đã được dùng, rồi mới nguội đi khá nhanh. Bình đặt đứng giữ phân tầng tốt hơn bình nằm ngang cùng dung tích, vì ranh giới nóng lạnh có chiều cao lớn để dịch chuyển, ít bị trộn lẫn hơn.

Đó cũng là lý do sau khi một người tắm xong, người kế tiếp có thể chỉ còn nước ấm: phần đáy bình đã đầy nước lạnh mới vào, thanh đốt cần thời gian để đun lại.

Bình nước nóng năng lượng mặt trời tự chảy thế nào?

Nhiều bình nước nóng năng lượng mặt trời kiểu ống chân không không cần bơm. Nước trong các ống hứng nắng nóng lên, nhẹ đi, tự chảy lên bồn chứa đặt cao phía trên; nước mát hơn trong bồn chìm xuống thay chỗ. Dòng đối lưu tự nhiên này gọi là hiện tượng xi-phông nhiệt. Muốn nó chạy được, bồn chứa phải đặt cao hơn phần hấp thụ nhiệt.

Còn gặp phân tầng nhiệt ở đâu trong nhà?

• Nồi nước luộc: nước sát đáy nóng trước, nếu không khuấy thì mặt nước còn nguội trong khi đáy đã sôi lăn tăn.
• Bồn tắm: xả nước nóng vào bồn mà không khuấy, mặt bồn nóng còn chân thấy mát. Luôn khuấy đều và thử bằng khuỷu tay trước khi cho trẻ vào bồn.
• Bồn nước inox trên mái: trưa nắng, lớp nước trên cùng trong bồn ấm hơn hẳn lớp dưới; vòi lấy nước thường ở gần đáy nên nước ra vẫn mát hơn mặt bồn.
• Không khí trong phòng: không phải chất lỏng, nhưng cũng phân tầng tương tự, khí nóng dồn lên sát trần.

Tự thấy nước nóng nổi, nước lạnh chìm ở nhà

Một thí nghiệm an toàn chỉ cần nước và màu thực phẩm. Người lớn chuẩn bị nước nóng.

1. Lấy hai cốc thuỷ tinh nhỏ giống nhau. Cốc thứ nhất đựng nước ấm nóng (không quá nóng tay, khoảng 50 °C) nhuộm đỏ. Cốc thứ hai đựng nước lạnh có đá rồi vớt đá ra, nhuộm xanh.
2. Đổ đầy tràn cả hai cốc. Đặt một tấm bìa cứng mỏng lên miệng cốc nước nóng, giữ chặt, lật úp cẩn thận đặt lên miệng cốc nước lạnh, hai miệng khớp nhau. Làm trong khay để hứng nước tràn.
3. Rút nhẹ tấm bìa. Nước đỏ nóng ở trên, nước xanh lạnh ở dưới: hai màu giữ tách nhau khá lâu.
4. Làm lại với cốc lạnh ở trên, cốc nóng ở dưới: rút bìa ra là hai màu cuộn vào nhau thành tím chỉ trong vài giây.

Hai lần làm, cùng hai cốc nước, chỉ khác thứ tự trên dưới, cho kết quả trái ngược. Đó chính là thứ đang diễn ra trong hồ mỗi mùa hè và trong bình nóng lạnh mỗi lần tắm.