Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

141. Чай по-купечески

Чай остывает, отдавая тепло через стенки сосуда, излучая тепловую энергию, а также за счет испарения, поскольку испарение – это «убегание» с поверхности чая самых быстрых, то есть самых «горячих» молекул. (Температура – это средняя кинетическая энергия движения молекул. Когда самые быстрые молекулы улетают, средняя кинетическая энергия оставшихся понижается – значит, понижается и температура.)

Чем больше поверхность, тем больше у молекул чая возможности покинуть толщу жидкости. Наливая чай в блюдце, мы увеличиваем испаряющую поверхность и тем самым ускоряем остывание.

142. Пропавшее молоко

Если никто не отпивал молоко, то оно, по всей видимости, испарилось – в буквальном смысле слова: горячая жидкость испаряется довольно интенсивно (об этом говорят струйки сконденсировавшегося пара, которые поднимаются над чашкой).

Что Винкелю стоит сделать в следующий раз, чтобы избежать сокращения столь милой его сердцу порции молока?

И еще одна задача: попробуйте оценить, какую массу потеряет стакан с кипятком, остыв до температуры 20 °C. Считайте, что остывание происходит только за счет испарения жидкости. Что вы можете сказать об этом допущении по итогам расчетов?

143. Еще один пляжный парадокс

При испарении улетают самые быстрые молекулы – именно им хватает энергии, чтобы разорвать свои связи с общей массой. Поэтому испарение сопровождается снижением средней кинетической энергии молекул, то есть понижением температуры. Поверхность нашего тела всегда немного влажная, но это количество влаги не сравнится с тем, сколько воды находится на нашем теле, когда мы выходим на берег. Испарение этой влаги быстро охлаждает тело – и нам становится холодно. Ветер ускоряет этот процесс, унося улетевшие молекулы воды и не оставляя им возможности вернуться назад, поэтому в ветреную погоду выходить из воды еще холоднее.

144. Быстрый холод

Теплота парообразования – это количество тепла, которое нужно для испарения единицы массы жидкости. Это означает, что чем большее количество жидкости испарилось, тем большее количество тепла для этого потребовалось. И в этом разгадка парадокса: спирт очень летуч и испаряется намного быстрее воды, так что даже при меньшей теплоте парообразования он способен за то же самое время забрать с собой больше тепла. Другими словами, полностью испарившийся 1 грамм воды унесет больше тепла, чем полностью испарившийся 1 грамм спирта, но при прочих равных условиях спирту для этого потребуется в несколько раз меньше времени. Значит, он более быстрый охладитель.

Это свойство спирта легло в основу старого народного рецепта: чтобы сбить температуру, больного обтирают спиртом или водкой. Однако врачи жестко критикуют такие меры, отмечая, что именно из-за эффективности спирта как внешнего охладителя этот прием приносит больше вреда, чем пользы.

145. Баня-убийца?

Воздух в парной действительно очень горячий – но очень сухой, в нем мало паров воды. В таком воздухе пот с поверхности кожи прекрасно испаряется, охлаждая тело. Так что никакой нестыковки нет: температура воздуха действительно может составлять около 100 градусов по Цельсию, но при этом температура тела за счет эффективной терморегуляции будет оставаться в пределах нормы. Однако наш организм при этом вынужден интенсивно потеть, чтобы охлаждаться, и расширять все кровеносные сосуды на коже, чтобы быстрее отдавать тепло. С этими эффектами – при разумном подходе – и связан оздоровительный эффект бани.

Теперь вам будет легче ответить на следующий «банный» вопрос: в парной часто есть раскаленные камни, на которые время от времени плещут водой, чтобы «поддать пару». Какой эффект это дает и зачем это нужно?

146. Сгорим или замерзнем?

Метеор входит в атмосферу на большой скорости, то есть с большой кинетической энергией. Чтобы не учитывать влияние потенциальной энергии, допустим, что метеор летит почти горизонтально.

Силы сопротивления воздуха тормозят метеор, так что его кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию взаимодействующих тел – то есть внутреннюю энергию воздуха и самого метеора. При большой скорости, во‐первых, велика сила сопротивления воздуха (она в хорошем приближении пропорциональна квадрату скорости, то есть при увеличении скорости в два раза увеличивается вчетверо, а потому при больших скоростях вырастает до очень большой величины), а во‐вторых, метеор проходит большое расстояние за единицу времени. Поскольку работа равна произведению силы на перемещение: A = F s , – то получается, что за единицу времени силы сопротивления совершают очень большую механическую работу (произведение большой силы на большое расстояние), то есть имеют большую мощность . Именно на величину работы сил сопротивления уменьшается кинетическая энергия метеора, то есть вся эта работа уходит в нагрев метеора и атмосферы. Большая мощность означает, что нагрев происходит быстро – метеор раскаляется.

Если метеор снижается, то работа сил тяжести усугубляет ситуацию, позволяя метеору не так быстро терять скорость (а возможно, даже наращивать ее) и тем самым поддерживая на высоком уровне мощность сил сопротивления – то есть мощность нагрева.

Выставленная в окно автомобиля ладонь, конечно, тоже получает энергию от встречного воздуха. (Кстати, хотя сила сопротивления воздуха совершает механическую работу, кинетическая энергия ладони при этом не падает – за счет чего? И чья же энергия в конечном итоге нагревает ладонь?) Однако скорость автомобиля даже на автомагистрали несопоставима со скоростью метеора, так что энергия, получаемая от встречного потока воздуха, невелика. Зато на поверхности ладони постоянно выделяется пот – влага, которая, испаряясь, охлаждает ладонь. (Собственно, в этом одно из главных назначений системы потоотделения – охлаждать тело за счет испарения влаги с поверхности.) На большой скорости испарение происходит гораздо быстрее – и процесс охлаждения преобладает над процессом нагрева.

147. Огнестойкий бумажный стаканчик

Повседневный опыт говорит нам, что от открытого огня бумага вспыхивает моментально, поэтому интуитивно мы ожидаем, что бумажный стаканчик сгорит (или, по меньшей мере, огонь прожжет в нем дыру) и вода просто выльется.

Однако для того, чтобы бумажный стаканчик загорелся, бумага должна нагреться до температуры воспламенения. А эта температура для бумаги существенно выше температуры кипения воды. Через тонкие стенки стаканчика вода постоянно охлаждает бумагу, так что та просто не может воспламениться. И даже когда вода закипает, ее температура все еще ниже температуры возгорания бумаги, то есть кипящая вода по-прежнему охлаждает стаканчик! Вскипятить воду в бумажном стаканчике совершенно реально.