Юный техник, 2014 № 04 - [20]
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.
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.
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.
