Thủy tinh không nên đun sôi. Nhưng nó đã làm.
Một nhóm các nhà vật lý đã đập những khối thủy tinh nhỏ vào lò nung với điện áp điện về những gì bạn nhận được từ một ổ cắm trong nhà. Nó đủ điện để làm nóng kính, vốn đã khá ấm từ sức nóng của lò. Nhưng nó không nên có đủ dòng để đun sôi thủy tinh. Thủy tinh không đun sôi cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ hàng ngàn độ so với mức mà dòng điện nên tạo ra. Chưa hết, trong lò của họ, khi dòng điện chạy và tạo ra một điện trường, các nhà vật lý đã nhìn thấy một "hơi nước" mỏng bốc lên từ mẫu thủy tinh.
Để điều đó xảy ra, dòng điện sẽ phải tập trung vào một phần của kính, cung cấp năng lượng không đồng đều. Nhưng có một vấn đề: Điều đó trái với luật pháp.
Đây là thỏa thuận: Khi một dòng điện đi qua một vật liệu đồng nhất, nó được cho là làm nóng toàn bộ vật liệu. Các nhà khoa học gọi đây là định luật đầu tiên của Joule, sau nhà hóa học người Anh James Prescott Joule, người đã phát hiện ra nó vào đầu những năm 1840. Đó là một thực tế vật chất có nguồn gốc từ định luật bảo toàn năng lượng, một trong những quy tắc cơ bản nhất chi phối vũ trụ của chúng ta. Và chúng ta thấy nó tại nơi làm việc mỗi ngày; Các dây tóc bóng đèn sẽ không đẹp, thậm chí phát sáng mà không có luật của Joule tại nơi làm việc.
Nhưng hiện tại này dường như vi phạm pháp luật. Không chỉ hơi bốc lên từ một số bộ phận của kính, mà một điểm nóng (có thể nhìn thấy trên camera hồng ngoại) nhảy múa vui vẻ trên bề mặt của nó. Một lần nữa và trong các thí nghiệm của họ, các điểm nóng xuất hiện.
"Chiếc kính này đồng nhất ở mức độ ít phút nhất", Himanshu Jain, nhà khoa học vật liệu tại Đại học Lehigh ở Bethlehem, Pennsylvania, và đồng tác giả của một bài báo mô tả hiện tượng được công bố vào ngày 26 tháng 2 trên tạp chí Nature Science.
Thủy tinh là một chất cách điện và không mang dòng điện tốt; tuy nhỏ nhưng dự kiến sẽ biến phần lớn dòng điện đó thành nhiệt. Suy nghĩ thông thường về định luật đầu tiên của Joule sẽ dự đoán rằng một dòng điện sẽ làm nóng thủy tinh đồng đều, khiến nó từ từ tan chảy và biến dạng, Jain nói với Live Science. Và trong hầu hết các trường hợp, đó chính xác là những gì xảy ra.
"Chúng tôi đã xem xét việc làm mềm kính nóng dưới một điện trường", Jain nói, "và đó là điều mà chưa ai từng làm trước đây."
Sự nóng lên không đều đó, hóa ra, đã thải ra vô số năng lượng gần cực dương trong kính, điểm vào của dòng điện. Vì vậy, thủy tinh đã tan chảy và bay hơi ở đó, ngay cả khi nó vẫn ở nơi khác. Nhiệt độ trong các điểm nóng nóng hơn nhiều so với phần còn lại của kính. Tại một thời điểm, một vùng duy nhất của kính được nung nóng khoảng 2.500 F (1.400 C) trong vòng chưa đầy 30 giây.
Vậy luật của Joule có bị phá vỡ không? Có và không, Jain nói; vĩ mô suy nghĩ, nó xuất hiện như vậy. Nói bằng kính hiển vi, câu trả lời sẽ là "không" - nó chỉ không áp dụng cho toàn bộ kính nữa.
Theo luật đầu tiên của Joule, một điện trường đều sẽ làm nóng vật liệu một cách đồng đều. Nhưng ở nhiệt độ cao, điện trường không chỉ làm nóng kính - nó thay đổi thành phần hóa học.
Điện trường di chuyển qua thủy tinh khi các ion tích điện dương (các nguyên tử bị tước electron tích điện âm) bị đánh bật khỏi vị trí và mang điện tích trên kính, Jain nói. Các ion nhẹ nhất di chuyển đầu tiên, mang theo dòng điện.
Kính trong thiết lập này được làm từ oxy, natri và silicon. Natri, ion nhẹ liên kết lỏng lẻo, đã thực hiện hầu hết việc vận chuyển năng lượng. Khi đủ lượng natri dịch chuyển, nó đã thay đổi thành phần hóa học của thủy tinh gần cực dương. Và một khi hóa học thay đổi, kính giống như hai vật liệu khác nhau và định luật của Joule không còn được áp dụng thống nhất. Một điểm nóng hình thành.
Không ai nhận thấy hiệu ứng trước đó, Jain nói, rất có thể vì nó không đá vào cho đến khi kính đã khá nóng. Vật liệu trong thí nghiệm này không phát triển các điểm nóng cho đến khi lò đạt khoảng 600 F (316 C). Điều đó không nóng lắm đối với thủy tinh, nhưng nó nóng hơn nhiều so với điều kiện mà hầu hết các máy điện sử dụng thủy tinh và điện đều hoạt động.
Tuy nhiên, hiện nay, các nhà khoa học đã tìm ra lý do tại sao thủy tinh lại sôi khi không nên dùng. Và điều đó khá thú vị.
Lưu ý của biên tập viên: Bài viết này đã được cập nhật để chỉ ra rằng luật của Joule đã bị phá vỡ từ một khía cạnh nhưng không phải là một góc độ khác, cũng như để sửa chữa trang điểm hóa học của thiết lập thủy tinh.
