Юный техник, 2014 № 04

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.