Мик О'Хара - Почему у пингвинов не мерзнут лапы? и еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого

В домашних морозильниках лед неизбежно получается непрозрачным потому, что в воде из-под крана содержится растворенный воздух (около 0,003 % от общего веса). Когда вода в ванночке для льда замерзает, по краям отсеков образуются кристаллы. Они из чистого льда и почти не содержат воздуха, поскольку растворимость воздуха внутри льда очень низкая, а под ним в воде он все еще содержится в жидком виде.

Когда концентрация воздуха в воде достигает 0,0038 % от общего веса, а температура падает до -0,0024 °C, жидкость утрачивает способность содержать воздух, начинается новая реакция. По мере замерзания воды воздух вытесняется из нее. Естественное состояние воздуха при данной температуре и давлении — газообразное, поэтому он образует пузырьки во льду.

Коммерческие аппараты для производства льда делают красивый прозрачный лед, пропуская постоянный поток воды между замораживающими металлическими выступами или над замораживающими металлическими ванночками. При этом часть воды замораживается, а остальную сливают, потому что концентрация воздуха в ней резко возрастает. Когда лед становится достаточно толстым, выступы или ванночки нагревают, чтобы отделить прозрачный, кристально-чистый лед, который вполне достоин съемки в рекламе.

Увы, без такого аппарата автору вопроса не изготовить прозрачные кубики льда.

Эндрю СмитНьюкасл-апон-Тайн, Великобритания

Наибольшую плотность вода имеет при температуре около 4 °C. При более низкой температуре вода становится менее плотной и приближается к точке замерзания.

Воздушные пузырьки образуются во льду, когда остывание воды происходит слишком быстро, поэтому в разных слоях воды температура различается. Обычно лед образуется сначала на поверхности воды, потому что более теплая и плотная вода уходит вниз и остается под слоем формирующегося льда.

Вдобавок верхний слой обычно находится в контакте с холодным воздухом. То же самое происходит при замерзании воды в озере. Разная скорость расширения в толще воды неизбежно приведет к появлению пузырьков воздуха, которые не смогут всплыть, потому что на поверхности уже образовалась ледяная корка.

Чтобы избежать появления пузырьков, необходимо охлаждать воду очень медленно, без больших перепадов температуры, вызывающих разное расширение. При медленном охлаждении воздуху хватает времени, чтобы всплыть на поверхность и испариться прежде, чем воду покроет слой льда.

Хань Ин ЛоукЭдинбург, Великобритания

Если вам не удалось изготовить прозрачный лед даже из кипяченой воды, возможно, все дело в фильтрации и кипячении. Например, газ может быть растворен в воде даже после кипения, жесткую воду понадобится деионизировать, чтобы очистить от газа.

Кроме того, при остывании воды полезно ограничить доступ воздуха к ней, например закрыть сосуд пищевой пленкой. Постарайтесь дойти до точки замерзания, охлаждая воду медленно, сверху вниз, может быть, в полистироловой емкости, закрытой сверху пленкой. Не пользуйтесь вакуумными емкостями, поскольку стекло — слишком хрупкий материал.

Хотя количество вымерзающего газа не зависит от метода замораживания, постепенное достижение температуры замерзания позволяет получить хороший толстый кусок прозрачного льда. Со временем начнет появляться мутный лед, тогда процесс можно будет остановить.

Джон РичфилдДеннесиг, Южная Африка

В воде содержатся растворенные газы. Когда вода замерзает, газ вытесняется из нее и образует пузырьки, которые остаются во льду и придают ему непрозрачный вид.

Чтобы сделать прозрачный лед, необходимо взять не холодную, а теплую воду, поскольку в ней содержится меньше растворенного газа. Кроме того, попробуйте уменьшить мощность морозильной камеры, чтобы газ успевал выходить из воды в процессе замерзания. Я попробовал этот способ и убедился в его эффективности.

Габриэль СоузаКембридж, Великобритания

Боюсь, автора вопроса соблазнила профессиональная фотография из тех, на которых в скотче лежат вырезанные вручную кубики плексигласа, изображающие лед. Плексигласом заменяют лед потому, что в ярко освещенной студии он быстро растает. Присмотревшись, автор вопроса заметит также на менисках других напитков мелкие стеклянные пузырьки из тех, которые не исчезают в нужный момент.

Мартин ХасуэллБристоль, Великобритания

«Если налить игристое вино или пиво в сухой бокал, оно вспенится. Если бокал влажный, этого не произойдет. Если налить немного игристого вина в бокал так, чтобы оно вспенилось и пена дошла до краев, затем дать пене осесть, можно быстро долить бокал до краев, зная, что пена не потечет через край. Почему?»

Пиво, игристые вина и другие шипучие напитки — жидкости, чрезмерно насыщенные газом. В термодинамике известны газы, образующие пузырьки в растворенном состоянии. Их количество зависит от температуры воды и атмосферного давления.

Давление этих пузырьков может достигать 30 атмосфер при диаметре всего 0,1 микрометра. Поскольку растворимость газов увеличивается с ростом давления (закон Генри), газ снова переходит в растворенную форму так же быстро, как вышел из нее.

Пузырьки могут образовываться вокруг частиц пыли, неровностей поверхности и царапин. Эти очаги — гидрофобные, в них возникают воздушные карманы, которые разрастаются сначала без формирования мелких пузырьков. После достижения критического размера воздушный карман лопается и превращается в выгнутый пузырь, радиус кривизны которого достаточно велик, чтобы предотвратить самосхлопывание.

Д.П. МейтлендКафедра теоретической и прикладной биологии, Университет Лидса, Западный Йоркшир, Великобритания

Кроме того, здесь наблюдается каскадный эффект. Когда количество пузырьков достигает определенного критического числа на единицу объема, само по себе это создает физический дисбаланс и приводит к появлению новых пузырьков. Очагами образования пузырьков могут стать различные шероховатости. Мельчайшие кристаллы солей (например, сульфата кальция) остаются на стенках бокала, если его сушили на воздухе методом испарения, после того, как ополоснули жесткой водой. Если бокал вытерли посудным полотенцем, на стенках остались частицы волокон хлопка. Пыль может осесть в бокал, если он постоит вертикально достаточное время. А мелкие царапины присутствуют на внутренней поверхности всех бокалов, кроме самых новых.

Когда внутри бокал влажный, все кристаллы солей растворяются, любые частицы волокон уже не служат очагами пенообразования. Но почти вся пыль и царапины остаются на прежнем месте. Однако они уже будут смочены жидкостью, а новая порция жидкости, насыщенной газом, достигнет их очень медленно, в процессе диффузии. Пузырьки все равно будут появляться, но с такой скоростью, что каскадный эффект уже не возникнет. В итоге пена не перельется через край.