Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Кофеварка, о которой пойдет речь, есть на кухне у каждой итальянской семьи. Она состоит из трех частей: основания, куда заливают воду, металлической воронки, снабженной фильтром, куда засыпают молотый кофе, и верхней части, в которой накапливается готовый напиток (илл. 3). Любитель кофе едва ли сможет творчески подойти к его приготовлению в такой кофеварке: в отличие от других методов, здесь обязательно нужно точно соблюдать правила, продиктованные конструкцией устройства.

3. Гейзерная кофеварка. Эта традиционная модель была запатентована Альфонсо Биалетти в 1933 году. Кофеварка оснащена предохранительным клапаном, который предотвращает взрыв при избыточном давлении (например, если помол кофе слишком тонкий или кофейный порошок был слишком плотно упакован в фильтре)

Это достаточно сложное изобретение. Фильтр, очевидно, находится в самом центре аппарата. Холодную воду заливают в нижний отсек вплоть до предохранительного клапана, оставив небольшой заполненный воздухом объем. В фильтр, практически не утрамбовывая, насыпают молотый кофе. Затем кофеварку закрывают, накручивая верхнюю часть на основание, и фильтр оказывается расположенным посередине. Теперь нижняя часть воронки, выполненная в форме трубки, погружена в воду и почти касается дна емкости. Снаряженную таким образом кофеварку начинают нагревать на медленном огне. Через несколько минут дошедшая до точки кипения вода через воронку поступает в фильтр. Нужно отметить, что в этой конструкции воронка работает в режиме, противоположном обычному, используемому для перелива жидкостей: вода поступает в нее через узкую часть, а выходит через широкую. Проходя через наполненный молотым кофе фильтр, вода насыщается его ароматами и превращается в кофе. Полученный напиток, поднимающийся под давлением снизу, проходит через еще одну узкую трубку и, наконец, оказывается в верхней части – остается только налить его в чашку!

Что же происходит в моке с точки зрения физики? Нижняя часть устройства плотно соединена с верхней и герметизирована резиновым уплотнителем (илл. 4). При нагреве воды давление насыщенного водяного пара повышается (см. главу 15, «Формирование пузырьков») и жидкость испаряется в пространство, не заполненное водой. Температура воды довольно быстро достигает 100 °C: давление насыщенного водяного пара при этом становится равно атмосферному. Таким образом, пар, подобно пружине, начинает выталкивать воду через воронку, вынуждая ее пройти через молотый кофе. По мере продолжения нагрева температура и давление продолжают расти. Вытесняемая паром и уже превратившаяся в кофе вода в конечном итоге оказывается в верхней части устройства. Чтобы время фильтрации не оказалось слишком коротким, можно вмешаться в процесс, когда шум свидетельствует о том, что готовый напиток начинает проходить через верхнюю часть: следует остановить нагрев, и это замедлит прохождение воды через кофе.

4. Принцип действия гейзерной кофеварки. При повышении температуры растет и давление насыщенного водяного пара. Когда оно превышает атмосферное давление, вода начинает выталкиваться через воронку, проходит сквозь фильтр, заполненный молотым кофе, а затем полученный в результате процесса фильтрации кофе накапливается в верхней части устройства. Чтобы время фильтрации не оказалось слишком коротким, можно вмешаться в процесс, когда шум свидетельствует о том, что готовый напиток начинает проходить через верхнюю часть: следует остановить нагрев, и это замедлит прохождение воды через кофе.