Xăng dầu giãn nở theo nhiệt độ: đổ xăng sáng sớm có được nhiều hơn

Xăng nở ra khoảng 0,1% thể tích cho mỗi độ C tăng thêm, nên về lý thuyết một lít xăng ấm chứa ít xăng hơn một lít xăng mát. Nhưng ở cột bơm, xăng được hút từ bồn chôn dưới đất, nơi nhiệt độ gần như không đổi giữa sáng và trưa, nên đổ xăng buổi sáng sớm hầu như không lợi thêm gì. Chuyện giãn nở chỉ thành con số lớn khi mua bán hàng chục nghìn lít — vì thế ngành xăng dầu quy đổi thể tích về một nhiệt độ chuẩn, phổ biến là 15 °C.

Xăng dầu nở ra bao nhiêu khi nóng lên?

Gần như mọi chất lỏng đều nở ra khi nóng, nhưng mỗi chất một mức. Đại lượng đo mức nở gọi là hệ số giãn nở thể tích: phần thể tích tăng thêm khi nhiệt độ tăng 1 °C. Một số giá trị gần đúng quanh nhiệt độ phòng:

Xăng nở gấp khoảng năm lần nước. Đó là đặc điểm chung của các chất lỏng nhẹ, phân tử liên kết với nhau lỏng lẻo. Nước là trường hợp lạ: mức nở thay đổi nhiều theo nhiệt độ, và từ 0 °C tới khoảng 4 °C nước còn co lại khi ấm lên — chuyện nước nở khi đóng băng thuộc một đề tài khác.

Một lít xăng buổi trưa có bằng một lít buổi sáng không?

Về thể tích thì bằng: cột bơm đo lít, và lít là lít. Cái khác là lượng xăng thật (khối lượng, cũng là năng lượng) trong một lít đó. Xăng ấm hơn 10 °C thì một lít chứa ít xăng hơn khoảng 1%.

Nhưng câu hỏi thật là: xăng ra từ vòi bơm buổi trưa có ấm hơn buổi sáng không? Câu trả lời là gần như không, vì:

• Bồn chứa ở cây xăng thường chôn ngầm dưới đất. Từ độ sâu khoảng một vài mét trở xuống, nhiệt độ đất gần như không đổi trong ngày; nó chỉ thay đổi chậm theo mùa.
• Một bồn chứa hàng chục nghìn lít có quán tính nhiệt lớn: nắng trưa trên mặt sân không kịp làm ấm cả khối xăng dưới đất.
• Đoạn ống từ bồn lên vòi bơm ngắn, xăng chảy qua nhanh.

Chênh lệch nhiệt độ xăng giữa sáng và trưa ở vòi bơm vì thế chỉ cỡ một hai độ hoặc ít hơn, tương ứng chênh lệch chưa tới 0,2% — với bình xăng xe máy vài lít là vài ml, nhỏ hơn cả lượng xăng còn đọng trong vòi. Lời mách "đổ xăng sáng sớm cho được nhiều" có gốc vật lý đúng, nhưng con số thực tế quá nhỏ để đáng dậy sớm.

Vì sao ngành xăng dầu quy đổi về 15 °C?

Với một bình xăng xe máy, 0,1% mỗi độ là không đáng kể. Với một xe bồn hay một tàu dầu thì khác. Ví dụ một xe bồn chở 20.000 lít xăng, nhận hàng ở kho lúc xăng 20 °C, giao tới nơi lúc xăng đã ấm lên 30 °C:

• Nhiệt độ tăng 10 °C ⇒ thể tích tăng khoảng 1%.
• 20.000 lít × 1% ≈ 200 lít "dôi ra" mà không ai thêm giọt xăng nào.

Nếu bên bán đo ở kho mát còn bên mua đo ở nơi nóng, hai bên sẽ cãi nhau mãi về 200 lít ấy. Để tránh, thương mại dầu mỏ quốc tế quy đổi mọi thể tích về thể tích ở nhiệt độ chuẩn. Bảng quy đổi chuẩn quốc tế (tiêu chuẩn ISO và bảng đo lường dầu mỏ dùng chung trong ngành) lấy mốc 15 °C; một số nước dùng hệ đơn vị Anh – Mỹ lấy 60 °F (khoảng 15,6 °C).

Cách làm: đo thể tích thực tế, đo nhiệt độ và khối lượng riêng của lô hàng, tra bảng hoặc tính theo công thức chuẩn ra hệ số hiệu chỉnh, nhân lại để ra thể tích ở 15 °C. Trong mua bán khối lượng lớn giữa các doanh nghiệp ở nhiều nước, kể cả Việt Nam, người ta thường nói tới "lít ở 15 °C" bên cạnh "lít thực tế". Còn ở cột bơm bán lẻ, lít là thể tích ở nhiệt độ thực tế lúc bơm; một số nước có cột bơm tự bù nhiệt độ, nhiều nước khác không dùng. Quy định đo lường và kiểm định cột bơm cụ thể là đề tài của lĩnh vực đo lường pháp định.

Đổ đầy bình xăng rồi để ngoài nắng có sao không?

Đây là chỗ giãn nở nhiệt có ý nghĩa an toàn thật, dù nhỏ. Bình xăng ô tô 50 lít đổ đầy lúc xăng khoảng 28 °C; xe đỗ ngoài nắng gắt cả buổi, xăng trong bình có thể ấm lên tới 40 °C hoặc hơn. Tăng 12 °C ⇒ thể tích tăng khoảng 1,2% ⇒ khoảng 0,6 lít cần thêm chỗ.

Các nhà sản xuất xe đã tính trước điều này: bình xăng luôn có một khoảng trống dự phòng phía trên, và vòi bơm tự ngắt khi xăng chạm đầu cảm biến. Vì vậy lời khuyên an toàn phổ biến là:

• Dừng khi vòi bơm tự ngắt, không bóp thêm cho "đầy tận miệng". Bơm cố có thể làm xăng tràn ra khi nóng lên, hoặc tràn vào hệ thống thu hơi xăng.
• Với xe máy, không đổ quá miệng lưới lọc trong cổ bình; xăng tràn ra yên xe, thân xe dễ bắt lửa và làm hỏng sơn.
• Can, bình chứa xăng dự phòng (nếu thật sự cần) chỉ dùng loại chuyên dụng, không đổ đầy, chừa khoảng trống, đậy kín, để nơi thoáng mát, xa nguồn lửa và ngoài tầm với của trẻ. Không chứa xăng trong chai nước uống.

Lít hay ki-lô-gam: ngành nào đong nhiên liệu theo khối lượng?

Chính vì thể tích thay đổi theo nhiệt độ còn khối lượng thì không, nhiều ngành tính nhiên liệu theo khối lượng:

• Hàng không lập kế hoạch nhiên liệu theo ki-lô-gam hoặc tấn, vì thứ quyết định máy bay cất cánh được không là khối lượng, và thứ tạo ra năng lượng cũng là khối lượng nhiên liệu. Khi tra nạp bằng đồng hồ thể tích, người ta đo khối lượng riêng để đổi ra.
• Tàu biển, nhà máy điện thường tính nhiên liệu theo tấn.
• Khí hoá lỏng đóng bình bán theo ki-lô-gam, không theo lít, một phần vì thể tích chất lỏng trong bình thay đổi mạnh theo nhiệt độ.

Khối lượng riêng của xăng vào khoảng 0,72–0,75 kg mỗi lít, diesel khoảng 0,82–0,85. Một lít xăng vì thế nặng chưa tới ba phần tư ki-lô-gam — chuyện "một lít không nặng một ki-lô-gam" có bài riêng ở danh mục Thể tích & dung tích hiểu đúng.

Giãn nở nhiệt còn gặp ở đâu trong nhà?

Cùng một hiện tượng, gặp ở rất nhiều chỗ quanh nhà:

• Nhiệt kế chất lỏng hoạt động chính nhờ chất lỏng nở ra theo nhiệt độ; ống mao dẫn rất hẹp biến một chút nở thành một đoạn dài dễ đọc.
• Bình nóng lạnh có van an toàn xả bớt nước khi nước nở ra lúc đun.
• Chai dầu ăn đầy để gần bếp có thể rỉ ra ở nắp khi ấm lên.
• Dụng cụ đong thuỷ tinh ghi nhiệt độ hiệu chuẩn 20 °C, vì chính nước trong ống cũng nở.
• Đường ống nước nóng cần có khoảng co giãn; ống nhựa dài thẳng có thể cong vênh khi nóng.

Góc nhìn hôm nay: tự thấy chất lỏng nở ra ở nhà

Một thí nghiệm an toàn, chỉ dùng nước: đổ đầy một chai nhựa nhỏ bằng nước lạnh có pha màu, đậy nút đã khoan một lỗ vừa khít ống hút trong suốt, cắm ống hút sâu xuống nước và trám kín quanh lỗ bằng đất nặn. Đánh dấu mực nước trong ống hút. Đặt chai vào chậu nước ấm (không dùng nước sôi), vài phút sau mực nước trong ống dâng lên rõ rệt. Đó là một chiếc nhiệt kế tự làm. Không làm thí nghiệm này với xăng, cồn hay chất dễ cháy.

Bài học mang về: mỗi khi thấy con số lít trên một lượng chất lỏng lớn, hãy hỏi thêm "ở nhiệt độ nào". Với một ly nước, câu hỏi thừa; với một bồn xăng, câu hỏi đáng giá hàng trăm lít.