Ngọn lửa xanh dưới đáy nồi khoảng 1 950 °C — thừa sức làm chảy thanh sắt. Ngay trên nó vài centimét, nồi canh nằm đúng 100 °C và không nhích thêm một độ. Cả hai con số đến từ cùng một phép chia:
802 kJ chia cho 10,52 mol khí
Đốt 1 mol metan (CH₄, thành phần chính của gas thành phố) tỏa ra 802 kJ. Nhưng câu hỏi “lửa nóng bao nhiêu độ” không hỏi bao nhiêu nhiệt — nó hỏi nhiệt ấy phải hâm nóng bao nhiêu khí.
Muốn cháy hết, 1 mol metan cần 2 mol O₂ — và oxy ấy đến từ không khí, thứ luôn giao hàng kèm: mỗi mol O₂ kéo theo 3,76 mol nitơ. Thứ bay ra khỏi ngọn lửa vì thế là 1 mol CO₂ + 2 mol H₂O + 7,52 mol N₂ = 10,52 mol, trong đó 71,5% là nitơ — chất trơ không góp một joule nào, chỉ đến để được hâm nóng bằng tiền gas của bạn.
Chia 802 kJ cho 10,52 mol ấy, với nhiệt dung thật của từng chất, ra 2 054 °C — nhiệt độ ngọn lửa nếu không joule nào thoát ra ngoài.
Vòng gió dưới chân bếp là cái núm chia phần
Vòng kim loại xoay được ở chân mọi bếp gas chính là núm chỉnh λ — hệ số không khí: λ = 1 là cấp vừa đủ oxy, λ = 2 là gấp đôi. Phần thừa không cháy, chỉ đi ngang qua ngọn lửa, nóng lên rồi bay lên trần bếp. Ở λ = 1,5, khói phồng thành 15,28 mol và nhiệt độ tụt còn 1 516 °C; ở λ = 2 — 20,04 mol — còn 1 207 °C. Vẫn đúng 802 kJ ấy, mà lửa nguội đi 847 độ.
Vậy sao không vặn kín vòng gió cho thật nóng? Vì trộn khí không bao giờ hoàn hảo — ngay ở tỉ lệ lý thuyết vẫn còn những túi thiếu oxy sinh CO và muội. Bếp dân dụng cố tình chạy λ ≈ 1,3–1,8: hy sinh vài trăm độ để mua sự cháy sạch, khoản thuế mà nhà máy nhiệt điện cũng nộp, vì mỗi độ nguồn nóng mất đi là một lát hiệu suất Carnot bị cắt.
Đổi sang bình LPG: nhiệt gấp 3,3 lần, lửa nóng thêm 72 độ
Kéo thanh trượt nhiên liệu từ metan sang butan (C₄H₁₀, thứ trong bình LPG) rồi chờ ngọn lửa vọt lên. Nó không vọt.
Butan tỏa 2 658 kJ mỗi mol, gấp 3,31 lần metan — nhưng cần 6,5 mol O₂ thay vì 2, kéo theo 24,44 mol nitơ, nên khói thành 33,44 mol, gấp 3,18 lần. Tử số nhân 3,31, mẫu số nhân 3,18: nhiệt độ chỉ nhích từ 2 054 lên 2 126 °C.
Đây là điều đáng nhớ nhất: nhiệt độ ngọn lửa là nhiệt trên mỗi mol khói, không phải trên mỗi mol nhiên liệu. Mọi ankan đều kéo theo nitơ gần như tỉ lệ thuận với năng lượng của mình: bình LPG đun lâu hơn hẳn cùng thể tích gas ống, mà ngọn lửa nhìn y hệt.
Ngọn lửa xanh không phải màu của nhiệt độ
Dưới λ = 1,47, lửa metan nóng hơn điểm chảy của sắt (1 538 °C), vậy mà nồi thép vẫn nguyên: nước bên trong nuốt mọi kilôwatt bạn rót vào để đổi trạng thái chứ không đổi nhiệt độ, ghim đáy nồi quanh 100 °C. Cạn nước là mất lớp bảo vệ ấy, và chiếc chảo trả giá.
Màu xanh cũng đánh lừa: vật ở 2 000 °C bức xạ nhiệt màu cam đỏ, nên ánh xanh ấy không phải màu của nhiệt độ mà là phát quang hóa học, từ các gốc CH và C₂ sống chưa tới một phần triệu giây. Ngọn vàng của bếp chỉnh sai mới đúng là màu của nhiệt độ — muội carbon nung sáng: trông ấm hơn, thực ra nguội hơn, và đang bôi đen đáy nồi bạn.
Trường hợp biên: công thức sai nhất đúng lúc nó tự tin nhất
Con số 2 054 °C là trần lý thuyết, không phải phép đo: lửa metan thật trong không khí dừng ở 1 950 °C, hụt 104 độ. Trên khoảng 2 000 K, CO₂ và H₂O phân li ngược thành CO, H₂, O và OH — phản ứng thu nhiệt, ăn bớt chính khoản năng lượng vừa tỏa ra. Cân bằng năng lượng đơn giản không biết chuyện đó, nên sai số lớn dần theo nhiệt độ: chính xác nhất ở λ = 3 nơi chẳng ai quan tâm, tệ nhất ở λ = 1 nơi ta muốn biết.
Muốn thấy nó tệ đến đâu, hãy đuổi hết nitơ. Đốt metan bằng oxy nguyên chất: khói còn 3 mol thay vì 10,52, và 802 kJ dồn thành 267 kJ mỗi mol — công thức hân hoan trả về 4 936 °C, còn đèn xì oxy–metan thật chỉ đạt khoảng 2 800 °C: ở vùng ấy, mọi joule vượt ngưỡng đều bị đem bẻ gãy phân tử thay vì làm chúng chạy nhanh hơn. Đèn oxy–axetilen chạm 3 100 °C, kỷ lục của lửa hóa học thông thường — tới đó không nhờ nhiên liệu mạnh hơn, mà nhờ đuổi 7,52 mol khách không mời khỏi bàn ăn.