Горизонты техники для детей, 1962 №1

Физика вокруг нас

Когда вы хотите вскипятить воду, то наливаете ее в чайник и ставите на огонь. Через некоторое время вода начинает кипеть.

Наверное, ни один из вас, прочитав первые строки, скривится и скажет:

— Фи, и это — физика? Что же здесь трудного? И вообще, что здесь интересного?

А между тем повседневные занятия доставляют нам массу интереснейших физических наблюдений. Если бы мы чаще задумывались над всем, что нас окружает, если бы безустанно искали ответов на вопросы, возникающие из наших наблюдений, мы бы вскоре убедились, что физика действительно «вокруг нас». Впрочем не надо и далеко искать этих тем: они сами бросаются в глаза при первой же возможности.

Ну вот хотя бы чайник, стоящий на огне. Именно потому, что он стоит «на огне», то есть источник тепла находится под чайником, вода в нем быстро закипает.

Мы знаем, что теплая вода всегда легче холодной. Поэтому-то молекулы воды, ударяясь о нагретое пламенем огня дно, нагреваются, становятся более легкими и сразу же стремятся всплыть на поверхность. На их место направляются молекулы холодной воды, находящиеся сверху. Такой обмен местами молекул теплой и холодной воды будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет равномерное повышение температуры всей жидкости. Самый лучший автомат не сделал бы этого так точно. Ну а теперь скажите, кто из вас знал, что в чайнике, поставленном на огонь, скрыт невидимый глазу и так замечательно действующий механизм, тщательно мешающий воду?

Если вы поняли принцип действия этого, в сущности говоря, простейшего механизма, то уже сейчас ответите на вопрос: как следует опускать в ведро кипятильник, глубоко или мелко. Правильно, глубоко, потому что только тогда произойдет быстрое смешивание теплой и холодной воды и ее быстрое вскипячение.

А теперь рассмотрим другую сторону этого вопроса. Надо не подогреть воду, а наоборот, остудить. Летом, в жару это особенно необходимо. Хозяйка приготовила великолепный освежающий напиток с лимоном и фруктовым соком, а пользуясь своим опытом при кипячении, поставила посудину с напитком на кусочки льда. Охлаждение будет происходить очень медленно. После нескольких часов хозяйка заметит, что на дне напиток стал немного холоднее, а вверху будет такой же теплый, как и перед остужением.

И опять, хотя дело, казалось бы, слишком обыденное, надо обратиться к физике. Она то и выяснит, какую ошибку сделала хозяйка. Итак, на этот раз кругооборот тепла требует, чтобы кусочки льда были помещены на крышке посуды. Лед, находясь над напитком, будет забирать тепло у расположенных ближе слоев напитка, охлаждая их. Охлажденные молекулы, становясь более тяжелыми, начнут опускаться на дно, а на их место продвинутся молекулы теплой воды снизу. Видите, наш «механизм» опять работает и старательно размешивает жидкость до тех пор, пока температура всего напитка не станет одинаковой, то есть до охлаждения всего напитка. Этот «механизм» надо уметь правильно привести в движение, а поэтому надо и знать законы физики. Ошибку, о которой мы здесь говорили, повторяют многие хозяйки. Посоветуйте им, как следует поступать в тех или иных случаях. Они будут вам благодарны.

Открою вам еще одни секрет нашего «механизма», работа которого не ограничивается только мешанием жидкости. При кипячении воды молекулы горячих выхлопных газов и нагретый воздух поднимаются вверх вдоль боковых стенок чайника, что обогревает его дополнительно. При охлаждении все происходит наоборот: холодный воздух опускается и омывает стенки чайника с водой, охлаждая ее дополнительно. И в первом, и во втором случае наш «механизм» работает безошибочно, а отдельные его действия складываются в одно целое.

Пожалуй, ни один вопрос домашнего хозяйства дает много интересного материала для физика. Возьмем к примеру приготовление кофе. Мама заварила отличный кофе, а гости как назло опаздывают. Холодный кофе, как известно, не вкусный, да и подогревать его нельзя — теряет свой вкус.

Опытные хозяйки поступают в таких случаях так: ставят кофейник с заваренным кофе в большую кастрюлю с горячей водой, которую можно оставить на огне, и температура воды в ней не превысит 100 °C, а кофе в кофейнике будет таким же вкусным и не перекипит. Но обязательно надо обратить внимание на то, чтобы дно кофейника не касалось дна кастрюли.

Почему так происходит? Физик сразу же и без колебания ответит: «Это происходит потому, что температура воды в кастрюле не поднимается, хотя кастрюля и находится на огне. Тепло огня идет на испарение воды. Часть воды переходит из жидкого состояния в парообразное. Надо только проследить, чтобы воды в кастрюле было много и кофейник не коснулся дна кастрюли. Если же кофейник коснется дна кастрюли, то начнет в него поступать дополнительная порция тепла, температура которого выше 100 °C, наша попытка сохранить вкусный кофе не удастся — кофе перекипит».

Проказники, хорошо знающие физику, могут сыграть с хозяйкой злую шутку. Конечно, не советую вам этого делать, но ради любопытства, открою вам еще один секрет. Можно перепутать все планы хозяйки, даже такой опытной, которая соблюдала все средства предосторожности. Просто досыпьте в кастрюлю обыкновенной поваренной соли. Дело в том, что раствор поваренной соли кипит при температуре выше 100 °C: кофе в такой соленой воде перекипит.

А чтобы наша «шкура» осталась целой, расскажу вам об одном интересном и удивительном опыте. Как можно довести воду до кипения при помощи… снега. Да-да, я не ошибся, снега.

Стеклянную бутылку наполняем до половины водой и вставим в кастрюлю с раствором поваренной соли, а потом все поставим на огонь. Раствор быстро начинает кипеть, закипает и вода в бутылке. Быстро вынимаем ее, плотно закрываем пробкой и кладем на стол. Вода в бутылке «ведет себя» совершенно спокойно, не кипит. А теперь положим на бутылку большой ком снега. Посмотрите, что делается! Вода начинает бурлить и бурно кипеть!

Удивительная история! Мы бы могли целый час и даже больше держать бутылку в пресной воде и вода в бутылке не закипела бы. А снег молниеносно заставил воду кипеть! Что самое интересное, вода в бутылке будет кипеть, а сама бутылка нам не покажется такой уж «страшно» горячей. А ведь собственными глазами видим, что вода в бутылке кипит.

Дело вот в чем. После того, как мы бутылку закрыли пробкой, в бутылке между водой и пробкой останется немножко пара (воздух выйдет быстрее). Снег, положенный на бутылку, вызывает быстрое охлаждение стенок и конденсирование пара. В ней возникает пустота (вакуум). Это не будет пустота в полном смысле этого слова, но давление над водой сильно снизится.

А вы, наверное, знаете, что температура кипения воды зависит от давления: чем меньше давление тем ниже температура кипения воды. И поэтому даже не очень горячая вода, которая будет находиться в бутылке после ее охлаждения снегом, начнет опять кипеть, если мы понизим еще давление в бутылке.

Если бутылка сделана из очень тонкого стекла, то надо опасаться, чтобы она не взорвалась, так как может не выдержать разницы давления, возникшей между атмосферным давлением внутри бутылки. Поэтому, если будете проделывать такого рода опыт, постарайтесь найти бутылку из толстого стекла и круглую.