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

156. Водопроводные предосторожности

В задаче 155 мы уже говорили, что вода ведет себя не так, как большинство других веществ: начиная с +4 °C она при дальнейшем охлаждении увеличивается в объеме, а не уменьшается. При замерзании прирост объема составляет около 10 %. Если лед в водопроводной системе замерзнет, такой прирост объема наверняка выведет из строя какую-либо часть системы, которая не выдержит возникшего давления. Возможно, вы слышали о том, что трубы могут «лопаться от мороза», – речь идет именно об этом эффекте.

157. Беспощадный мороз

Одно из возможных объяснений – треск деревьев, который можно услышать в сильный мороз в лесу в безветренную погоду. Этот звук возникает из-за того, что вода, которая содержится в стволах деревьев, расширяется при замерзании и разрывает волокна древесины.

158. Рискует ли официант?

Вода расширяется при замерзании. Чтобы жидкость в бутылке замерзла, надо охладить ее ниже нуля и достаточно долго держать в таком состоянии. Большое количество льда снаружи при плотном контакте с бутылкой и отрицательной температуре воздуха могло бы дать такой эффект. Однако в описанной ситуации не выполнено ни одно из этих условий: воздух в ресторане достаточно теплый, льда в ведерке не так много, а контакт бутылки с кубиками льда отнюдь не плотный. По мере того как лед начнет таять, бутылка начнет контактировать с талой водой и будет охлаждаться интенсивнее – но температура талой воды будет равна 0 °C – а при такой температуре содержимое бутылки уже не замерзнет. (Кстати, опытные рестораторы советуют с самого начала использовать для охлаждения бутылки с напитком не чистый лед, а смесь льда и воды. Сможете ли вы теперь объяснить этот совет?)

159. Физика на службе криминалистики

Как физик, Винкель хорошо знает, что очки резко запотевают, когда их обладатель входит в теплое помещение с улицы, а не наоборот. Запотевание – это конденсация воды из воздуха на холодных стеклах очков. У этого процесса много общего с выпадением росы. Дело в том, что максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в единице объема воздуха, снижается с уменьшением температуры. Когда влажный теплый воздух охлаждается (например, от контакта с холодными стеклами очков), избыточный водяной пар конденсируется, то есть превращается в мелкие капли воды и оседает на ближайших поверхностях.

160. Морозный пар

Вместе с человеком, который вошел с мороза, в теплое помещение попадает холодный воздух. Теплый воздух способен содержать такое количество паров воды, которое в холодном воздухе содержаться не может. Когда теплый воздух смешивается с холодным, избыток водяных паров конденсируется, образуя мелкие капельки воды – туман. Именно этот туман мы и видим как «клубы пара».

161. Загадочный налет

Поскольку налет возникает изнутри, разумно ожидать, что его источником служит что-то внутри колбы. Поскольку там не так уж много деталей, подходящий кандидат находится быстро. В задаче 185 мы будем говорить о том, что спираль лампы накаливания светится потому, что нагрета до очень высокой температуры. Там же мы обсудим, что когда спираль перегорает, это происходит на одном ее участке, где нагрев вырастает до такой степени, что даже тугоплавкий материал спирали не выдерживает. Сведя это воедино, мы можем предположить, что перегоревшая спираль и служит источником налета. В месте перегорания материал спирали (обычно вольфрам) испаряется. Газообразный вольфрам оседает на холодной колбе (холодной, конечно, с точки зрения испарившегося вольфрама – для нас-то колба настолько горячая, что мы можем легко обжечься), переходя напрямую из состояния газа в состояние твердого тела. На колбе изнутри образуется тончайшая вольфрамовая пленка.

162. Опасный пар

Кипяток, попадая на кожу, отдает ей тепло. При этом сам кипяток охлаждается, а кожа нагревается – так возникает ожог.

Если на кожу попадает водяной пар, он охлаждается до температуры кипения, отдавая коже тепло, затем конденсируется, отдавая коже тепло, и лишь в этот момент превращается в кипяток, который теперь отдаст коже еще порцию тепла. Получается, что пар отдает гораздо большее количество тепла по сравнению с кипятком – поэтому и ожоги получаются более серьезные.

Чтобы составить представление о соотношении величин, проведите подсчет: сравните количество тепла, которое отдает один грамм водяного пара при конденсации, с количеством тепла, которое отдает один грамм воды, охлаждаясь от температуры кипения до температуры тела.

163. Трудная жизнь походного повара

Приготовление пищи – это большое количество разнообразных и сложных химических реакций, которые происходят при нагреве продуктов. С ростом температуры эти реакции ускоряются, с понижением – замедляются или даже вовсе прекращаются. И вот тут походного повара и ждет подвох: вода в горах закипает при более низкой температуре из-за более низкого атмосферного давления. Все блюда, которые нужно готовить в кипящей воде, из-за этого готовятся намного медленнее (если вообще готовятся).

Обратный эффект достигается в скороварке: герметично закрывающаяся крышка с клапаном позволяет поддерживать в скороварке давление выше атмосферного. Из-за этого температура кипения воды повышается – и пища готовится при более высокой температуре, порой в несколько раз быстрее.

164. Когда порядок важен

Растительное масло кипит при более высокой температуре, чем вода (110–270 °C в зависимости от разновидности масла). Масло, налитое даже в кипящую воду, просто нагреется в ней. Но вода, налитая в масло, близкое к закипанию, хоть еще и не кипящее, попадет в условия, когда она может вскипеть практически мгновенно. Это та причина, по которой нагретая сковородка с растительным маслом начинает шипеть, трещать и «плеваться», когда на нее попадает вода (сама по себе или вместе с каким-нибудь продуктом). Разлетающиеся капли почти кипящего масла – это не только неприятно, но и опасно.

165. Шарик мечтает о небе

При трении о волосы шарик получает статический заряд за счет электризации трением. Раз он притягивается к потолку, возникает искушение предположить, что на потолке каким-то образом возник заряд противоположного знака. Но ведь мы ничем не терли потолок и вообще ничего с ним не делали – кажется, что он должен быть электрически нейтральным…

Разгадка в том, что, когда мы поднесли к потолку заряженный шарик, заряды на нейтральном потолке перераспределились: в той части потолка, которая ближе к шарику, собрался наведенный заряд противоположного знака – и вот тогда возникло притяжение.