Trả lời nhanh
Lỗ nhỏ trên nắp ấm là lỗ thông hơi, giúp không khí bên ngoài lọt vào trong ấm khi rót. Nhờ vậy áp suất khí trong ấm luôn bằng áp suất khí quyển ở miệng vòi, nước chảy ra đều nhờ trọng lượng của nó. Nếu nắp kín hoàn toàn, áp suất trong ấm giảm dần, áp suất khí quyển sẽ “giữ” nước lại, nước khó chảy hoặc chảy ngắt quãng.
Điều gì xảy ra khi rót nước từ ấm kín?
Giả sử nắp ấm bịt kín, phía trên mặt nước có một khối không khí bị nhốt. Khi nước chảy ra khỏi vòi, thể tích nước còn lại giảm nên khối khí này có chỗ giãn ra, thể tích tăng.
Theo định luật Boyle (nhiệt độ không đổi), thể tích khí tăng thì áp suất khí giảm. Lúc này áp suất khí trong ấm p nhỏ hơn áp suất khí quyển p0 tác dụng lên nước ở miệng vòi.
Nước chỉ chảy ra khi áp suất phía trong (khí trong ấm cộng áp suất do cột nước) lớn hơn áp suất khí quyển bên ngoài. Khi p giảm đủ nhiều, hai bên cân bằng và nước ngừng chảy dù ấm vẫn còn đầy trà.
Lỗ thông hơi giải quyết việc đó thế nào?
Khi nắp có lỗ nhỏ, mỗi lần nước chảy ra, không khí bên ngoài tràn vào qua lỗ để bù chỗ trống. Áp suất khí trong ấm luôn xấp xỉ p0.
Khi đó, nước ở vòi chịu áp suất khí quyển ở hai phía như nhau (ở mặt thoáng trong ấm và ở miệng vòi), nên chỉ còn trọng lượng của nước làm nó chảy xuống. Đây cũng là nguyên tắc “bình thông nhau”: ấm và vòi hở cả hai đầu thì mực nước hai bên chênh nhau mới có dòng chảy.
Ví dụ tính nhanh (số liệu tự đặt)
Giả sử ấm kín có phần khí phía trên thể tích 100 cm3, áp suất ban đầu bằng khí quyển, lấy p0 = 100 kPa. Cột nước từ mặt nước trong ấm tới miệng vòi cao khoảng 10 cm, tạo áp suất:
pnước = d·h = 10 000 N/m3 × 0,1 m = 1 000 Pa = 1 kPa.
Nước chỉ còn chảy khi áp suất khí trong ấm lớn hơn 99 kPa. Nếu rót ra 1 cm3 nước, khí giãn thành 101 cm3:
p = 100 × 100 / 101 ≈ 99,01 kPa.
Như vậy chỉ rót ra khoảng 1 cm3 (vài giọt) là nước đã dừng. Điều này cho thấy vì sao ấm kín gần như không rót được: chỉ cần khí giãn rất ít, áp suất giảm đã đủ chặn dòng nước.
Lỗ nhỏ còn có tác dụng phụ nào?
- Thoát hơi nước khi đun: nước sôi sinh ra hơi, khí trong ấm nở ra. Lỗ thông hơi cho hơi thoát ra, nắp không bị đẩy bật lên hay làm nước trào.
- Cân bằng khi ấm nguội: khi nguội, khí co lại, áp suất trong ấm giảm; có lỗ thì không khí vào bù nên nắp không bị “hút chặt” khó mở.
Tuy nhiên, tác dụng chính và là đáp án cần nhớ trong bài là: cho không khí vào để áp suất trong ấm bằng áp suất khí quyển.
Kiểm tra bằng thí nghiệm đơn giản
- Rót nước từ ấm trà có lỗ thông hơi: nước chảy đều.
- Dùng ngón tay bịt kín lỗ rồi tiếp tục rót: dòng nước yếu dần rồi ngắt, thậm chí không chảy.
- Nhả ngón tay ra: không khí vào, nước lại chảy bình thường.
Hiện tượng tương tự: hộp sữa đặc hay lon nước ngọt nên đục hai lỗ (một lỗ cho nước ra, một lỗ cho khí vào) thì rót dễ hơn; chai nước úp ngược mà miệng nhỏ thì nước “ọc ọc” vì khí phải chen vào từng đợt.
Lỗi sai thường gặp
- Cho rằng lỗ chỉ để hơi nóng thoát ra. Đó chỉ là tác dụng phụ; ấm pha trà (không đun trực tiếp) vẫn cần lỗ để rót nước.
- Nói “áp suất khí quyển đẩy nước ra”. Chính xác: áp suất khí quyển tác dụng ở cả hai phía; nếu không có lỗ, áp suất bên trong bị giảm nên khí quyển ở miệng vòi “thắng” và giữ nước lại.
- Quên ghi điều kiện: khi trả lời nên nêu rõ “áp suất khí trong ấm giảm khi nước chảy ra” thì mới đủ ý.
Bài luyện tập
Câu 1. Vì sao khi bịt lỗ trên nắp ấm bằng ngón tay thì nước ngừng chảy ra từ vòi?
Đáp án: Bịt lỗ thì khí trong ấm bị nhốt; nước chảy ra làm khí giãn, áp suất trong ấm giảm xuống dưới áp suất khí quyển ở miệng vòi, nên nước bị giữ lại.
Câu 2. Vì sao khi uống nước bằng chai có nắp vặn kín và miệng nhỏ, ta phải nới nắp hoặc để khí vào thì nước mới chảy đều?
Đáp án: Cùng nguyên nhân: không có đường cho khí vào thì áp suất trong chai giảm khi nước ra; mở nắp cho khí vào để áp suất trong chai bằng áp suất khí quyển.
Câu 3. Ở ví dụ trên, nếu cột nước cao 20 cm thì áp suất khí trong ấm kín phải lớn hơn bao nhiêu để nước còn chảy? (p0 = 100 kPa, d = 10 000 N/m3)
Đáp án: pnước = 10 000 × 0,2 = 2 000 Pa = 2 kPa, nên khí trong ấm phải lớn hơn 98 kPa.
Câu hỏi thường gặp
Nếu nắp ấm trà không có lỗ thì có rót được nước không?
Rót được rất ít rồi nước ngừng hoặc chảy ngắt quãng, vì áp suất khí trong ấm giảm xuống thấp hơn áp suất khí quyển ở miệng vòi. Chỉ khi nghiêng mạnh hoặc hé nắp cho khí vào thì nước mới chảy đều.
Lỗ nhỏ trên nắp ấm liên quan đến kiến thức nào trong Vật lí?
Liên quan đến áp suất khí quyển và sự cân bằng áp suất trong bình thông nhau (kết hợp định luật Boyle về khí). Đây là nội dung ở phần áp suất chất khí, áp suất khí quyển.
Lỗ thông hơi có phải chỉ để hơi nước thoát ra khi đun không?
Không. Thoát hơi chỉ là tác dụng phụ. Tác dụng chính là cho không khí vào trong ấm khi rót để áp suất trong ấm bằng áp suất khí quyển.
Vì sao cần đục hai lỗ khi rót nước từ lon sữa?
Một lỗ cho nước chảy ra, một lỗ cho không khí vào để giữ áp suất trong lon bằng áp suất khí quyển, nhờ đó nước chảy liên tục và không bị ọc ạch.