Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Что обжигает сильнее: кипяток или водяной пар? Это вопрос из разряда: «Что тяжелее: железо или вата?» Или другой его распространенный вариант: «Что тяжелее: 1 килограмм ваты или 1 килограмм железа?» Так и нам следует уточнить: «Что обжигает сильнее: грамм кипящей воды или грамм стоградусного водяного пара?» Не будем тянуть с ответом: конечно же, водяной пар! На более холодной поверхности, такой как кожа, он начинает конденсироваться, а затем охлаждается. В процессе конденсации массы m водяного пара при 100 °C выделяется скрытая теплота парообразования mr, которая была ранее затрачена на то, чтобы этот пар перевести из жидкого состояния в парообразное. Величина r называется удельной теплотой парообразования, и для воды она составляет 2257 кДж⋅кг^–1 (см. главу 18, «Откуда идет тепло?»). Эта энергия оказывается намного больше чем та, что выделится при дальнейшем охлаждении той же массы воды. Действительно, последняя равна mCΔT, где C = 4190 Дж⋅кг^–1 °C^–1 – удельная теплоемкость воды, а ΔT – разница между конечной (около 40 °C, когда контакт с кожей становится терпимым) и начальной (100 °C) температурами. Легко убедиться, что при ΔT = 60 °C соотношение между выделенными энергиями составляет примерно 10 раз. Таким образом, вода в парообразном состоянии обжигает в десять раз сильнее, чем в жидком.

Чайник без крышки

Пока мы производили вычисления, вода закипела уже и в чайнике без крышки. Почему кипение в нем начинается позже? Дело в том, что часть получаемой от огня энергии тратится на чистые потери: часть воды испаряется и уходит в атмосферу. В закрытом чайнике тоже происходило испарение, но вода не могла покинуть емкость. Она могла конденсироваться на крышке, возвращая таким образом затраченную энергию, и позднее повторно поглощалась жидкостью. Действительно, как только в закрытом чайнике концентрация водяного пара достигает определенного значения (которое зависит от температуры), количество испаряющихся молекул точно компенсируется количеством молекул, вновь поглощенных жидкостью.

Свисток чайника

Свисток – замечательное приспособление: несмотря на небольшой объем, он способен издавать пронзительный звук. Как работает свисток на чайнике? Эта задача механики жидкостей оказалась достаточно сложной для того, чтобы заинтересовать исследователей из Кембриджского университета в Великобритании. Вот их выводы.

Свисток, который устанавливают на носик чайника, состоит из двух металлических пластин, в которых просверлено узкое отверстие (см. илл.). Пар сначала проникает в полость, образованную носиком, размеры которого – около сантиметра – задают длину возбуждаемой звуковой волны. Чем длиннее носик, тем ниже звук! Затем струя пара выходит из полости через узкое отверстие и попадает в свисток. При этом струя пара оказывается неустойчива: она ведет себя подобно струйке воды на выходе из крана. Пройдя небольшое расстояние, она распадается на отдельные капли (см. главу 6, «Капающий кран»). Покидая же свисток с достаточно большой скоростью, струя образует многочисленные вихри, которые и являются источниками слышимых нами звуковых волн.

Механизм действия свистка чайника. Струя пара проходит через полости A и B посредством имеющихся в них двух узких отверстий. На выходе из свистка образуются вихри, которые и являются причиной свиста. (Согласно R. H. Henrywood and A. Agarwal, Physics of fluids. 25, 2013)