Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Почему, когда зимой тротуары и мостовые покрываются льдом, их посыпают солью? Почему иногда эффективнее использовать хлорид кальция (крупную каменную соль), а не хлорид натрия (поваренную соль)? Или вопрос только в цене?

ОТВЕТ •Предположим сначала, что на поверхности льда имеется слой воды и что температура и воды, и льда равна 0°C, то есть соответствует обычной температуре замерзания воды. На границе раздела между двумя состояниями воды наблюдается повышенная активность на молекулярном уровне: молекулы воды непрерывно переходят изо льда в жидкую воду и обратно. Однако если число молекул, ушедших изо льда, равно числу молекул, перешедших в лед из воды, количество льда не меняется.

Если воду посыпать солью, происходит диссоциация (распад) молекул соли на положительные и отрицательные ионы. Молекулы воды группируются вокруг ионов каждого из типов — происходит гидратация ионов. Гидратация связывает молекулы воды, они не могут перейти в лед. Теперь в лед переходит меньше молекул воды, но покидает лед то же самое их количество, и, следовательно, общее количество льда уменьшается. Это означает, что лед начинает таять. Если талая вода в достаточной степени разбавляет соляной раствор, ситуация возвращается к исходной: количество покидающих лед молекул воды становится равным количеству приходящих в него молекул. Следовательно, таяние льда прекращается.

Внутренняя энергия молекул воды в жидком состоянии больше, чем когда молекулы закреплены на своих местах в жесткой кристаллической структуре. Когда молекула переходит в лед, она отдает часть своей энергии; когда молекула переходит изо льда в воду, она получает такое же количество энергии. Если количество покидающих лед и поступающих в него молекул равно, баланс энергий поддерживает оба процесса. Но что происходит, когда соль уменьшает количество молекул, переходящих в лед? Как поставляется энергия тем молекулам, которые все еще покидают лед? Если система «лед — вода» находится не в помещении, поступление энергии происходит благодаря наличию тротуара, мостовой и воздуха. Хотя лед тает, температура всей системы «лед — вода» не меняется и остается равной температуре окружающей среды.

Однако если извне в систему «лед — вода» поступает недостаточно энергии, молекулы воды должны сами «поставлять» энергию, необходимую для таяния льда. При этом сначала понижается температура воды, а затем и льда. В этом случае говорят, что соль понижает точку замерзания воды. Температура падает до тех пор, пока количество молекул, перешедших из воды в лед, опять не сравняется с количеством молекул, перешедших изо льда в воду.

Постепенно охлаждая соленую воду в очень холодном морозильнике, можно наблюдать, как опускается точка замерзания. Однако существует предел, ниже которого точку замерзания опустить нельзя. Для хлорида натрия эта предельная температура составляет около –21°C, а для хлорида кальция — около –55°C. Более низкая предельная температура у хлорида кальция — одна из причин, почему на дорогах используют его: так дорожное покрытие удается очистить ото льда при гораздо более сильных морозах.

Домашняя мороженица состоит из металлического контейнера, вставленного в деревянную чашу и окруженного слоем колотого льда, смешанного с солью крупного помола. Охлажденную в холодильнике смесь сливок, сахара и других добавок переливают в контейнер, куда вставляют мешалку. Мальчиком я размешивал эту смесь вручную, а теперь подключаю мороженицу к розетке, и вместо меня работает мотор.

Почему наружная часть мороженицы делается из дерева? Почему контейнер металлический? Зачем нужны колотый лед и соль? Зачем смесь сливок и сахара надо размешивать? Почему ее нельзя просто заморозить в морозильнике? Что произойдет, если температура смеси опустится только чуть ниже точки замерзания обычной воды? А если она опустится слишком низко?

ОТВЕТ •Температура замерзания смеси (та температура, при которой в ней начинает образовываться лед) ниже 0°C, так как входящие в нее ингредиенты затрудняют образование льда. Чтобы достичь такой температуры, металлический контейнер следует обложить льдом с солью (см. предыдущую задачу). Тогда температура льда и образовавшейся при таянии воды будет меньше 0°C, а значит, тепло будет отводиться от смеси в контейнере. Однако соли не должно быть слишком много, иначе лед с водой окажутся слишком холодными и тепло будет отводиться слишком быстро. В этом случае смесь вблизи стенок контейнера быстро замерзнет, что затруднит перемешивание. Тепло надо отводить постепенно, чтобы вся смесь находилась в одном и том же состоянии. Чаша со льдом должна быть сделана из дерева или другого плохо проводящего тепло материала для того, чтобы лед не растаял благодаря высокой температуре в комнате.

В мороженице используется колотый лед, поскольку, если взять кубики льда большего размера, число точек, где они соприкасаются со стенками контейнера, слишком мало и смесь будет охлаждаться слишком медленно. Если размешивать смесь, предварительно не охладив ее, из сливок получится не мороженое, а масло, отделившееся от пахты (молочной сыворотки).

Сливки размешивают, преследуя две цели. 1. Размешивание, перемещая по кругу образовавшиеся мелкие кристаллики и обволакивая их сливками, препятствует росту крупных. Мороженое будет зернистым и невкусным, если допустить рост крупных кристаллов льда. Именно так и происходит, когда смесь сливок и сахара просто замораживают в морозильнике. Размешивая смесь сливок с сахаром, вы добиваетесь того, что кристаллики льда остаются очень маленькими, а мороженое получается однородным. 2. Размешивают сливки с сахаром еще и для того, чтобы взбить сливки, насытив их пузырьками воздуха. В этом случае мороженое скорее представляет собой замороженную пену, а не ледышку. Пузырьки стабилизируют частички жира в сливках. Увеличение объема мороженого за счет воздушных пузырьков называется взбитостью . В легком воздушном мороженом половина объема может приходиться на воздух, поэтому при покупке надо смотреть не на объем, а на вес.

Перемешав смесь, налейте ее в контейнер и поставьте в холодную чашу со льдом с солью. На этой стадии оставшаяся в смеси жидкость замерзает. Говорят, что мороженое застывает . Если все сделать правильно, маленькие кристаллики льда будут распределены равномерно и мороженое будет однородным и приятным на вкус.

Если рыхлый лед слишком долго держать в морозильнике, он станет зернистым, даже если температура все время будет ниже точки замерзания. Это связано с тем, что соприкасающиеся маленькие кристаллики объединяются, образуя кристаллы большего размера. Направление процесса определяется выигрышем энергии за счет уменьшения полной поверхности льда при слиянии мелких кристалликов. Долго хранящееся мороженое тоже может стать зернистым, но надо учитывать, что слияние маленьких кристалликов льда, покрытых жиром и другими примесями, замедляется.