Giải quyết vấn đề căng thẳng nhiệt trong thủy tinh phòng thí nghiệm
Nếu bạn từng dành thời gian cắt hoặc tạo hình thủy tinh borosilicate, bạn chắc hẳn hiểu rõ cảm giác ấy. Bạn tạo xong một chiếc bình, nó trông rất hoàn hảo… nhưng rồi – vỡ. Đó chính là hậu quả của căng thẳng nội bộ trong thủy tinh. Về cơ bản, đó giống như một “quả bom hẹn giờ” bên trong thủy tinh. Nếu không loại bỏ căng thẳng này thông qua quá trình ủ nhiệt đúng cách, chiếc bình ấy sẽ sớm vỡ mà thôi.
Để ngăn chuyện đó xảy ra, chúng ta sử dụng các bộ phận gia nhiệt bằng tia hồng ngoại có độ chính xác cao. Nhưng bí quyết nằm ở việc kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác. Chúng ta cần duy trì nhiệt độ ở mức cực kỳ chính xác, khoảng 0,1°C.
Tại sao thủy tinh lại vỡ?
Thủy tinh rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nó giãn nở và co lại một cách không đều. Nếu phần bên ngoài nguội nhanh hơn phần lõi, sẽ tạo ra áp lực tích tụ bên trong thành thủy tinh.
Để khắc phục điều này, chúng ta cần đưa thủy tinh đến điểm ủ nhiệt phù hợp. Đó là điểm mà các phân tử trong thủy tinh có thể di chuyển và thư giãn, nhưng chiếc bình vẫn giữ được hình dạng ban đầu.
Đây là một công việc đòi hỏi sự chính xác cao. Chỉ cần sai lệch 1°C thôi cũng có thể khiến chiếc bình vỡ ngay lập tức.
Tại sao phải chú trọng đến độ chính xác 0,1°C?
Chúng ta sử dụng các bộ phận gia nhiệt bằng tia hồng ngoại kết hợp với các bộ điều khiển PID có độ chính xác cao. Các bộ gia nhiệt thông thường quá kém hiệu quả; chúng có thể làm cho thủy tinh bị biến dạng. Nếu nhiệt độ không đạt mức mong muốn, căng thẳng vẫn sẽ tồn tại bên trong thủy tín. Bằng cách duy trì độ chính xác 0,1°C, chúng ta đảm bảo rằng toàn bộ thành thủy tinh đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Mọi thứ sẽ ổn định.
Những hy sinh cần chấp nhận
Tất nhiên, việc kiểm soát nhiệt độ chính xác như vậy không thể diễn ra miễn phí. Chúng ta phải hy sinh một phần tốc độ gia nhiệt. Chúng ta không thể dùng công suất gia nhiệt quá cao nếu muốn thủy tinh vẫn giữ được hình dạng ban đầu. Chúng ta phải giảm tốc độ gia nhiệt khi tiến gần đến nhiệt độ mục tiêu, để tránh tình trạng sốc nhiệt.
Lưu ý rằng các cảm biến đo nhiệt cũng cần phải có độ chính xác tương đương với bộ gia nhiệt. Nếu cảm biến đo nhiệt không chính xác, thì bộ gia nhiệt cũng chỉ có thể đoán mò mà thôi. Độ chính xác chỉ có thể đạt được khi các cảm biến được calibrate với độ chính xác 0,1°C.