ЭКСПЕРИМЕНТ Тайны кипящей воды

— Ты хороший кулинар?

— Да, я умею замечательно ставить чайник… В самом деле, трудно найти дело проще, чем нажать на кнопку электрического чайника.

Но анекдот анекдотом, а теперь вопросы более серьезные. Знаете ли вы, например, почему в закипающей воде сначала образуются пузырьки и откуда они берутся? Почему закипающий чайник сначала «бормочет»,

а потом начинает свистеть? Почему облачко пара, вырывающееся из него, достигает своего максимума, когда чайник выключают? Как, наконец, получается, что у закипающего чайника температура дна значительно меньше 100 °C?

Вот что по этому поводу пишет вполне серьезное научное издание Physics Of Fluids («Физика жидкостей»).


КАК КИПИТ ВОДА?

Начиная наблюдения над кипящей водой, американский физик Дж. Уокер прежде всего настоятельно советует не забывать, что кипяток опасен. Малейшая неосторожность — и ожог, как минимум, третьей степени вам обеспечен. Так что будьте осмотрительны и аккуратны, постарайтесь проводить свои наблюдения и опыты в то время, когда на кухне будет кто-нибудь из взрослых.

Начнем с наблюдений. Причем для их удобства возьмем не чайник, а кастрюлю, и лучше всего стеклянную, сквозь стенки и крышку которой все хорошо видно. Нальем в кастрюлю водопроводную воду и поставим на огонь газовой горелки или на электрическую конфорку. Накрывать крышкой не будем, опять-таки для удобства наблюдений.

Внимательно смотрите, что происходит. По мере нагревания воды на дне кастрюли появляются крошечные пузырьки газа. Откуда они? Это выделяются из воды растворенные в ней молекулы воздуха и собираются в крошечные пузырьки на дне кастрюли. Со временем каждый пузырек раздувается, его плавучесть увеличивается. В конце концов, пузырьки начинают всплывать на поверхность воды. Это первый признак того, что вода нагрелась.

Однако точки кипения она еще не достигла. Вода, соприкасающаяся с атмосферой при нормальном давлении (760 мм рт. ст., или 1 атм.), кипит при температуре около 100 °C. Так как вода на дне кастрюли не соприкасается с атмосферой, она остается жидкостью, даже если нагревается немного выше точки кипения. Однако, как известно, горячая вода несколько легче холодной, поэтому она поднимается вверх, а ее замещает более холодная вода. Поэтому, как показывают замеры электронным градусником, дно кастрюли холоднее 100 градусов.

Расчет показывает, что при кипении воды для парообразования необходима дополнительная энергия, порядка 80 % от того, что нужно, чтобы нагреть это количество воды от 0 до 100 градусов.

И вся эта энергия поступает через днище кастрюли или чайника. Соответственно дно остается относительно холодным.

Начальная фаза кипения отмечена отрывистыми звуками, гудением и иногда жужжанием. Вода как бы ворчит, оповещая окружающий мир о том, как ей не нравится нагреваться. Каждый раз, как пузырек пара поднимается в более холодную воду, он внезапно исчезает, потому что пар внутри него конденсируется. При каждом таком исчезновении возникает звуковая волна — хлопок, который вы и слышите.

Если вы продолжаете нагревать кастрюлю, шум пузырьков становится громче, а потом исчезает. Шум начинает смягчаться, когда вся вода достаточно горяча, чтобы пузырьки пара достигли поверхности, там они лопаются с легким всплеском. И вы отчетливо видите, что вода закипела.



Кривая кипения воды:

1 — пузырчатое кипение; 2 — изолированные пузырьки; 3 — столбы и «куски» пара; 4 — переходный режим кипения; 5 — пленочное кипение.


ФИЗИКА ЧАЙНИКА

Часто «чайниками» называют дилетантов — людей, ничего не смыслящих, например, в компьютерах или в автоделе. Мы же здесь поговорим о чайнике как таковом.

Известно ли вам, что чайник с плотно закрытой крышкой закипает быстрее, чем вовсе без нее? А знаете ли вы, почему так происходит?..

Правильно, плотно закрытая крышка не позволяет пару улетучиваться, унося с собой немалое количество тепла, и вода быстрее доходит до точки кипения. Особенно отчетливо этот эффект проявляется в скороварках. Их ведь так называют вовсе не случайно. В науке такие кастрюли, с герметично закрывающимися крышками и клапанами на крышке, называют автоклавами.

Кстати, вы можете провести несколько опытов, меняя количество воды в чайнике или скороварке и доводя жидкость до кипения с открытой и закрытой крышкой. В итоге у вас получится некий дневник наблюдений, который позволит вам точно знать, когда именно нужно пойти на кухню и выключить закипевший чайник.

А если вы пользуетесь электрокипятильником, который выключается сам, то поймете, когда он вскипит, если вы зальете в него 1 л воды, 1,5 или 2…

С кипящими чайниками связаны еще два эффекта, о которых мы сейчас и поговорим.

Во-первых, обращали ли вы внимание, что во время кипения воды в чайнике через все щели и неплотности вырывается определенное количество пара? Оно заметно увеличивается в первые мгновения после отключения пламени под чайником. Как это можно объяснить?

Вероятно, так происходит потому, что пламя создает вокруг чайника объем воздуха с высокой температурой, при которой пар не образует настолько крупных капель, чтобы быть очень заметным. После отключения пламени этот нагретый объем воздуха исчезает, и пар начинает сильнее конденсироваться до капель заметного размера, образуя как бы туман. Поэтому и кажется, что количество выходящего пара резко увеличивается в первые мгновения.



ТЕОРИЯ СВИСТА

Второй эффект, который связан с кипящим чайником, это его свист. Многие современные чайники имеют на носиках особые пробки с дырочкой в центре. Вырывающийся через эту дырочку пар и издает свист.

Про это явление многие слышали, но лишь недавно исследователи из Кембриджского университета изучили процесс появления звука в свистке кипящего чайника досконально. Они, таким образом, сумели решить 100-летнюю физическую проблему, которую поставил в теории звука

Джон Уильям Стретт, более известный в истории физики как Лорд Рэлей.

При анализе явления физиков интересовал поток пара в камере, которая является цилиндром с дырками в основаниях — снизу широкой, сверху — узкой. Исследователи провели серию тестов (в общей сложности работа заняла четыре года!), после чего рассчитали две модели появления звука.

Эти модели используются для разных чисел Рейнольдса Re — одна для Re < 2000, другая для Re > 2000. Здесь, видимо, надо сказать, что числа Рейнольдса, используемые в гидро- и аэродинамике, являются важной безразмерной характеристикой потока. Их величина зависит от физических свойств жидкости или газа, формы, устройства свистка и прочих факторов. Если ограничиться паром и свистком конкретной формы, то с большой долей вероятности можно полагать, что числа Рейнольдса зависят от скорости потока.

Как выяснили экспериментаторы, при скорости ниже критической источником звука становятся колебания застрявшего между двумя пластинами воздуха. При этом тон вызывается физическими характеристиками самого свистка. Аналогичный механизм, по мнению ученых, приводит к возникновению звука в бутылке, если подуть наискось в ее горлышко. Подобная математическая модель, кстати, называется резонатором Гельмгольца.

По мнению ученых, вопреки кажущейся несерьезности их работы, она может быть использована во множестве случаев. Модель свистка, которую применили физики, подходит для исследования множества реальных физических процессов — к примеру, звуков в водопроводных трубах, системе вентиляции, автомобильных глушителях, фенах и так далее. Вновь полученные данные могут помочь избавиться от неприятных звуков, когда в них нет надобности, пообещали физики.

…А вы говорите, что поставить чайник — это просто.



Наша справка

ЧТО ТАКОЕ КИПЕНИЕ

Кипение — это процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние, с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении обычно является одной из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за возникновения очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.

На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации и других факторов возникновения центров парообразования. В частности, именно на принципе вскипания микрообъемов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера, используемая в опытах с элементарными частицами.

Кипение отличается от испарения тем, что может происходить при определенной температуре и давлении.


Кстати…

ВОПРОС НА ЗАСЫПКУ

Чайник вскипел, чай заварен, налит в чашку, а еще лучше — в прозрачный стакан. Вы насыпали сахару и начинаете помешивать напиток ложечкой.

Но что это? Посмотрите, как себя ведут чаинки. Сначала они размещались на дне стакана, поскольку тяжелее молекул воды. Когда вы начали вращать жидкость в стакане ложечкой, на чаинки, как и на молекулы Н2О, тоже стали действовать центробежные силы. По идее, они должны были бы прижать чаинки к стенкам стакана. Однако на самом деле большинство чаинок вращается у центра стакана. Почему чаинки ведут себя столь странно?

Загрузка...