Tủ lạnh là một trong những phát minh khoa học đã làm thay đổi đời sống con người. Bạn thử tưởng tượng nếu nhà mà không có tủ lạnh thì làm sao? Đâu có thể đi chợ mỗi ngày được.
Hồi xưa khi chưa có tủ lạnh thực phẩm không thể để lâu được, nhất là những thứ như thịt cá sống. Muốn để lâu người ta phải hun khô hoặc muối. Bây giờ thì cứ để vô tủ lạnh, muốn để lâu cả tháng thì bỏ vô ngăn đông lạnh.
Một tủ lạnh hiện đại. (Hình: aishalcyon.org)
Nguyên tắc của tủ lạnh
Hệ thống làm lạnh của tủ lạnh dựa vào nhiều hiện tượng trong vật lý. Hiện tượng thứ nhất là sự di chuyển nhiệt (heat flow). Có hai vật thể, gọi là A và B. Thí dụ A nóng hơn B. Nếu A và B để sát nhau thì hơi nóng từ A sẽ truyền qua B. Như vậy A sẽ nguội bớt và B sẽ nóng lên. Sự di chuyển nhiệt cứ tiếp tục xảy ra cho đến khi nhiệt độ của A bằng với nhiệt độ của B.
Nếu bạn để một túi nước đá vào một thùng giữ lạnh (cooler) với mấy chai nước ngọt. Nhiệt sẽ từ những chai nước ngọt sẽ truyền qua túi nước đá làm nước đá tan bớt, như vậy làm cho mấy chai nước ngọt lạnh đi.
Hiện tượng thứ hai dùng trong kỹ thuật làm lạnh là một chất khí dưới áp suất cao sẽ biến thành thể lỏng và cho ra nhiệt. Như vậy chất lỏng đó sẽ trở nên nóng.
Hiện tượng thứ ba là khi một chất lỏng biến thành thể khí, nó hút nhiệt, như vậy khí đó sẽ trở nên lạnh.
Phần làm lạnh của một tủ lạnh là một hệ thống kín và gồm có bốn thành phần: Máy nén (compressor), dàn ống xoắn hoán nhiệt (heat exchanger coil) bên trong tủ lạnh, van giãn nở (expansion valve), và dàn ống xoắn hoán nhiệt bên ngoài tủ lạnh. Một chất làm lạnh luân lưu trong đó.
Chất làm lạnh sau khi ra khỏi phần bên trong tủ lạnh thì ở thể hơi và đi vào máy nén. Máy này nén hơi lên một áp suất cao.
Chất làm lạnh đi vào dàn ống xoắn ở phía ngoài, đằng sau tủ lạnh. Chất khí làm lạnh đọng lại thành thể lỏng và tỏa ra nhiệt. Vì nhiệt độ của chất làm lạnh cao hơn nhiệt độ không khí chung quanh nên nhiệt sẽ được trao đổi giữa hai môi trường đó. Như vậy chất làm lạnh sẽ từ từ bớt nóng.
Ở giai đoạn kế tiếp chất làm lạnh đi qua van giãn nở. Van này làm giảm áp suất của chất làm lạnh, do đó chất làm lạnh bắt đầu bốc hơi và nhiệt độ giảm xuống thấp. Khi chuyển động trong dàn ống xoắn ở bên trong tủ lạnh thì nhiệt trong tủ lạnh truyền vào chất làm lạnh và như vậy không khí trong tủ lạnh được giữ lạnh. Chất làm lạnh tiếp tục di chuyển tới máy nén và như vậy tạo thành một chu kỳ.
Trong tủ lạnh có một thiết bị gọi là bộ ổn nhiệt (thermostat). Khi nhiệt độ trong tủ lạnh xuống tới một nhiệt độ định trước thì bộ ổn nhiệt gửi ra một tín hiệu để máy nén ngưng hoạt động. Khi nhiệt độ trong tủ lạnh lên tới một nhiệt độ định sẵn thì bộ ổn nhiệt lại gửi ra một tín hiệu để khởi động máy nén. Lúc đó chất làm lạnh bắt đầu luân lưu và làm nhiệt độ trong tủ lạnh giảm xuống.
Máy điều hòa không khí
Máy điều hòa không khí cũng có cùng một nguyên tắc như tủ lạnh. Phần tỏa hơi nóng ra thì để ngoài trời còn phần hút hơi nóng và làm mát không khí thì để trong nhà. Máy điều hòa không khí có quạt để thổi không khí mát luân lưu trong một phòng hay khắp cả nhà và quạt ở ngoài để phát tán hơi nóng ra ngoài không khí. Máy cũng có bộ phận hút ẩm để lấy bớt hơi ẩm trong không khí.
Tiến trình của kỹ nghệ lạnh
Người xưa đã biết là nếu thức ăn để lạnh thì sẽ lâu mới bị hư và vào mùa Hè nếu làm cho không khí mát hơn một chút sẽ thấy dễ chịu hơn nhiều.
Theo mạng www.livescience.com thì người Trung Hoa đã biết cất và lưu trữ nước đá để dùng từ 1,000 năm trước Tây Lịch. Nếu bạn đã xem truyện kiếm hiệp “Thiên Long Bát Bộ” của nhà văn Kim Dung thì chắc còn nhớ đến đoạn Hư Trúc bị đem bỏ vào hầm nước đá của nước Tây Hạ. Hầm nước đá đó chính là để giữ lạnh các thực phẩm thời bấy giờ.
Các nền văn minh Hy Lạp hay La Mã cũng đã chứa tuyết dưới hầm để dùng. Vào thế kỷ thứ 18 ở Âu Châu người ta cũng đã biết thu thập nước đá và pha với muối để giữ được lâu.
Ở trong nước bây giờ vẫn có dịch vụ bán nước đá. Theo mạng news.zing.vn thì tại Sài Gòn có gần 200 cơ sở sản xuất nước đá cây và đá viên. Nhưng bài báo cũng nói là vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm không được duy trì đúng đắn. Đó là lý do mà người ta khuyên là về Việt Nam không nên uống nước ngọt hay rượu bia có đá.
Vào thế kỷ thứ 18 các nhà khoa học đã nhận biết là các hóa chất khi bốc hơi thì trở nên lạnh. Năm 1835 ông Jacob Perkins, người Hoa Kỳ, đã được cấp bằng sáng chế cho một máy làm lạnh dùng chất ammonia lỏng. Ông ta được coi là cha đẻ của tủ lạnh.
Kỹ nghệ làm bia là kỹ nghệ đầu tiên áp dụng kỹ thuật làm lạnh. Tới cuối thế kỷ thứ 19 thì các nhà máy làm bia đều có tủ lạnh. Tiếp theo đó là kỹ nghệ chế biến thịt. Vào khoảng năm 1915 các nhà chế biến thịt đều có tủ lạnh. Đến thập niên 1920 thì trên 90% nhà ở Hoa Kỳ có tủ lạnh. Bây giờ thì hầu như nhà nào cũng có tủ lạnh, có nhà còn có hơn một cái tủ lạnh.
Tủ lạnh trong tương lai
Chất làm lạnh hữu hiệu nhất là freon, nhưng freon phá hủy tầng ô-zôn nên đã bị cấm dùng trên thế giới từ nhiều năm nay. Chất làm lạnh thay thế freon cũng không khá gì hơn. Hơn nữa, hệ thống làm lạnh hiện nay dùng rất nhiều năng lượng.
Theo mạng spectrum.ieee.org thì một phần ba điện tiêu thụ ở Hoa Kỳ là dùng cho các hệ thống tủ lạnh, tủ đông lạnh và điều hòa không khí. Do đó các nhà khoa học đang nghiên cứu để chế tạo ra tủ lạnh không dùng chất làm lạnh như bây giờ.
Các nhà khoa học tại nhiều đại học trên thế giới đang thử nghiệm những chất liệu có một tính chất đặc biệt, gọi là elastocaloric (tạm dịch là nhiệt đàn hồi). Khi bị ép lại các chất liệu đó nóng lên, như vậy có thể tỏa nhiệt ra không khí chung quanh. Khi không bị ép nữa thì chất liệu đó lạnh lên và như vậy có thể lấy nhiệt của môi trường chung quanh.
Một ý kiến khác cho vấn đề làm lạnh là dựa vào hiện tượng gọi là magnetocaloric (tạm dịch là nhiệt từ). Một số chất liệu có tính chất là nhiệt độ sẽ thay đổi, nóng lên hay lạnh xuống tùy theo sự thay đổi của từ trường (magnetic field). Hiện nay cơ quan Oak Ridge national Laboratory đang có một công trình nghiên cứu được Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ tài trợ để thử nghiệm xem có thể lợi dụng hiện tượng nhiệt từ để làm lạnh một cách thực dụng hay không.
Còn có nhiều ý kiến khác về việc thay thế kỹ thuật làm lạnh hiện thời, nhưng tất cả đều ở trong giai đoạn nghiên cứu hay thử nghiệm. Chưa có kỹ thuật nào có khả năng thực dụng được.
(Hà Dương Cự/Người Việt)
