Nồi cơm điện biết cơm chín nhờ một viên nam châm quên mình là nam châm ở 103 °C

Nồi cơm điện cơ trong bếp nhà bạn không có cảm biến nhiệt độ, không vi mạch, không đồng hồ hẹn giờ. Nó vẫn bật “tách” đúng lúc cơm chín, đều đặn hơn người canh bếp. Thứ ra quyết định là một viên nam châm to bằng hạt lạc, và cách nó quyết định là tự đánh mất chính mình:

Nước tự do trong nồi (g)

Công suất mâm nhiệt (W)

Điểm Curie của viên ferrite (°C)

Còn nước tự do, đáy nồi không được phép nóng lên

Mâm nhiệt rót đủ 600 W xuống đáy nồi, nhưng chừng nào nước còn sôi thì nhiệt độ đáy đứng im ở 100 °C — năng lượng chui hết vào nhiệt ẩn chứ không vào cột thuỷ ngân. Đưa 100 g nước từ 25 °C lên điểm sôi tốn 31,4 kJ; biến đúng 100 g ấy thành hơi tốn 225,7 kJ, gấp 7,2 lần. Ở 600 W, 100 g nước tự do cuối cùng mua cho hạt gạo 6,3 phút ngâm trong nước sôi, và mỗi 10 g thêm vào là thêm 37,6 giây.

Nên nồi cơm điện không đo “cơm chín” — nó đo “hết nước”, và hai việc ấy trùng nhau chỉ vì bạn đong đúng lượng nước mà hạt gạo hút hết.

Viên nam châm sống cả đời ở 79% điểm Curie của nó

Nam châm vĩnh cửu là một đám spin bị lực trao đổi bắt quay cùng hướng; nhiệt là phe đối lập, và có một nhiệt độ nó thắng dứt điểm — trật tự tan hết, cục nam châm hoá cục sắt thường. Đó là nhiệt độ Curie. Sắt 770 °C, niken 358 °C, miếng ferrite dẻo trên cánh tủ lạnh 450 °C; gadolinium mất từ tính ngay ở 20 °C, nắm trong tay là hết.

Viên trong nồi cơm là ferrite pha chế để điểm Curie rơi vào 103 °C, tức 376 K. Đó là một viên nam châm yếu, và yếu có lý do đo được: ở nhiệt độ phòng 298 K nó đã sống tại 79% điểm Curie của chính nó, trong khi miếng nam châm tủ lạnh mới ở 41%. Càng sát ngưỡng, từ độ sụp càng nhanh: theo luật trường trung bình M/M₀ = √(1 − T/T_C) — dạng chỉ đúng sát T_C — ngay tại 100 °C viên ferrite còn 8,9% từ độ, tới 102 °C còn 5,2%, và lực hút, tỉ lệ với bình phương từ độ, tụt tuyến tính về đúng số không.

Ba độ, hai mươi hai giây

Giọt nước tự do cuối cùng bay đi là cái khoá mở: toàn bộ 600 W giờ đổ vào khối nhiệt dung của nồi — nồi nhôm 0,5 kg cộng chừng 1,2 kg cơm ẩm, tổng cộng 4,4 kJ mỗi độ:

t_ngắt = (C_nồi + m_nước·c_nước)·(100 − T₀)/P   ← đun tới sôi
       + m_nước·L_v/P                           ← quãng khoá
       + C_nồi·(T_C − 100)/P                    ← leo nốt tới Curie

Ba độ cuối vì thế chỉ tốn 22 giây, trong khi quãng khoá dài gấp 17 lần. Trên đoạn dốc ấy, lực giữ của ferrite trượt qua ngưỡng một lò xo lá căng sẵn: nam châm buông, cần gạt bật xuống, tiếp điểm nhảy từ mạch nấu sang điện trở hâm vài chục oát. Nguyên lý — đếm nước bay hơi chứ không đếm cơm chín — là của chiếc nồi tự ngắt Toshiba bán ra từ 1955, khi ấy công tắc còn là lá lưỡng kim; viên nam châm Curie chỉ là bản rẻ hơn của cùng một mẹo.

Vì sao 103 chứ không phải 110 °C cho chắc ăn? Mỗi độ Curie dôi ra là 7,3 giây nung một cái đáy nồi đã cạn nước; viên 110 °C để mâm nhiệt quay khô 73 giây, vừa đủ đổi màu lớp cơm sát đáy.

Trường hợp biên: khi 100 °C không còn là 100 °C

Cả thiết kế đặt cược vào ba độ chênh giữa điểm sôi và điểm Curie — mà điểm sôi thì không phải hằng số. Lên Sa Pa 1 500 m, áp suất còn 85 kPa: nước sôi ở 95,0 °C, khe hở giãn từ 3 độ thành 8, và sau khi cạn nước mâm nhiệt còn nung khô 59 giây — gấp 2,7 lần dưới đồng bằng. Đáy cháy mà hạt gạo vẫn sượng: nó chỉ được ninh ở 95 độ, còn đồng hồ duy nhất của nồi là đồng hồ bay hơi, không chờ tinh bột kịp chín.

Đầu kia thì công tắc lộn ngược hẳn vai trò. Chỉ 11 kPa dư áp — một cái nắp có gioăng, tổng cộng 1,12 bar tuyệt đối — là điểm sôi dâng đúng lên 103 °C: đường nằm ngang chồng khít lên ngưỡng Curie, nam châm buông tay khi nồi còn đầy nước, cơm sống sũng. Kéo thanh Curie trong demo xuống dưới 100 °C mà xem: chấm đỏ nhảy ngược về giữa quãng đang đun. Vì thế nồi cơ luôn có lỗ thoát hơi hở, và nồi áp suất hay nồi cao tần không dùng được mẹo này — khi đường sôi vượt qua điểm Curie, viên nam châm mất quyền phát biểu và người ta phải trả tiền cho một con cảm biến.