Các phản ứng hóa học được phân thành hai loại chính: phản ứng tỏa nhiệt, giải phóng năng lượng nhiệt ra môi trường, và phản ứng thu nhiệt, hấp thụ năng lượng nhiệt từ môi trường để tiến hành.
- Phản ứng tỏa nhiệt (Exothermic) phóng thích nhiệt lượng ra môi trường xung quanh. Chẳng hạn, khi đốt cháy khí gas trên bếp, khí gas phản ứng với oxy trong không khí, giải phóng nhiệt. Nhiệt lượng này làm tăng nhiệt độ của không khí xung quanh và làm nóng chảo trên bếp.
- Phản ứng thu nhiệt (endothermic) hấp thụ nhiệt lượng từ môi trường để diễn ra. Ví dụ, khi đặt đường vào chảo nóng, đường hấp thụ nhiệt từ chảo, tan chảy và bắt đầu caramel hóa. Phản ứng caramel hóa là thu nhiệt, đòi hỏi năng lượng nhiệt từ chảo để tiếp tục.
Cả hai loại phản ứng đều cần một lượng nhiệt ban đầu để khởi động. Ví dụ, bạn cần dùng diêm để đốt bếp gas. Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở chỗ phản ứng tỏa nhiệt, như khi đốt cháy khí gas, tổng thể giải phóng nhiều nhiệt lượng hơn so với lượng nhiệt nó thu vào.
Cần lưu ý rằng phản ứng thu nhiệt không đơn thuần là việc hạt cà phê hấp thụ nhiệt và trở nên nóng hơn. Nếu bạn chỉ làm nóng một chất mà không có phản ứng hóa học xảy ra, nhiệt độ của chất đó sẽ tăng. Trong trường hợp này, năng lượng nhiệt được hấp thụ vẫn tồn tại dưới dạng nhiệt, nên không có hiện tượng thu nhiệt. Phản ứng chỉ được gọi là thu nhiệt khi năng lượng nhiệt được chuyển hóa thành dạng khác, ví dụ như phá vỡ liên kết hóa học trong phản ứng thu nhiệt hoặc chuyển hóa phân tử nước thành hơi nước.
Tương tự, dù phản ứng caramel hóa thu nhận nhiệt, điều này không có nghĩa là nhiệt độ tổng thể giảm. Phản ứng caramel hóa hấp thụ một phần nhiệt từ khí gas đang cháy, nhưng không phải toàn bộ. Do đó, nhiệt độ của chảo vẫn có thể tiếp tục tăng trong khi phản ứng thu nhiệt diễn ra bên trong.
Bay hơi và ngưng tụ
Giống như các phản ứng hóa học, một số quá trình khác cũng có thể là tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt. Trong rang cà phê, ví dụ quan trọng nhất là sự bay hơi của nước.
Nước hấp thụ năng lượng khi chuyển từ dạng lỏng sang hơi. Năng lượng này được mang đi cùng hơi nước khi nó thoát ra khỏi hạt cà phê. Năng lượng cần thiết cho quá trình này gọi là nhiệt ẩn hóa hơi. Lượng năng lượng này rất lớn – cần gấp năm lần năng lượng để biến nước thành hơi so với việc đun nước từ 0°C lên 100°C.
Bạn có thể thấy rõ hiệu ứng này khi đun nước trong chảo. Khi đun, nhiệt độ nước tăng đều đặn cho đến khi đạt 100°C. Tại thời điểm đó, nhiệt độ ngừng tăng. Dù bạn tiếp tục đun bao nhiêu (ở áp suất khí quyển), nhiệt độ nước không vượt quá 100°C. Thay vào đó, năng lượng nhiệt được sử dụng để chuyển nước thành hơi nước. Hơi nước thoát ra vẫn ở 100°C, nhưng nó mang theo một lượng năng lượng lớn hơn nhiều.
Cân bằng nhiệt trong rang cà phê
Trong suốt quá trình rang, vô số phản ứng và quá trình diễn ra đồng thời. Một số là tỏa nhiệt, số khác là thu nhiệt. Kết quả tổng thể là đặc tính tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt của hạt cà phê nằm đâu đó trên một thang đo linh hoạt.
Hãy xem xét ví dụ sau: bạn đun nóng hạt cà phê với tốc độ không đổi. Nếu hạt chuyển từ trạng thái thu nhiệt mạnh (chẳng hạn khi nước đang bay hơi nhiều) sang thu nhiệt nhẹ (khi nước đã bay hơi gần hết nhưng phản ứng tỏa nhiệt chưa bắt đầu), nhiệt độ hạt sẽ tăng nhanh hơn. Tuy nhiên, tổng thể vẫn có thể là thu nhiệt, dù bạn nhận thấy tốc độ tăng nhiệt độ tăng đột biến.
Nói cách khác, nếu hạt “trơ” – không có phản ứng hóa học – với tốc độ không đổi, nhiệt độ tăng đều. Với hạt ở trạng thái tỏa nhiệt, nhiệt độ tăng nhanh hơn do nhiệt bổ sung từ các phản ứng hóa học.
Ngược lại, hạt ở trạng thái thu nhiệt nóng lên chậm hơn vì một phần nhiệt bị hấp thụ bởi các phản ứng hóa học hoặc quá trình bay hơi nước. Tại điểm (x) trong hình, hạt trở nên ít thu nhiệt hơn, có thể do nước đã bay hơi hết. Lúc này, tốc độ tăng nhiệt độ tăng đột biến, nhưng hạt vẫn ở trạng thái thu nhiệt và nóng lên chậm hơn so với hạt trơ.