Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рассказывают, что во время Второй мировой войны американские летчики, базировавшиеся в Англии и выполнявшие полеты на бомбардировщиках B-17 «Летающая крепость», тоже делали мороженое. Контейнер со смесью сливок и сахара они ставили в задний пулеметный отсек, так что контейнер трясся и замерзал, как пулеметчик в хвосте самолета. Когда летчики возвращались на базу, мороженое было готово.

Почему безопасно пить (пусть маленькими глоточками) горячий обжигающий кофе? Почему при одной и той же температуре горячей пиццей обжечься легче, чем супом?

ОТВЕТ •Очевидно, опасность обжечься определяется не только температурой еды, которую кладут в рот, но и количеством пищи, ее теплопроводностью и тем, как долго пищу держат во рту. Маленькие глоточки кофе не причинят вреда, даже если он настолько горячий, что обжигает, если разлить его на себя, особенно на одежду. Это довольно часто происходит, когда пьют горячий кофе за рулем. Если вылить на себя горячую жидкость, она быстро впитается одеждой и, находясь в контакте с кожей достаточно времени, передаст ей большое количество тепла.

Напротив, маленький глоточек горячего кофе лишь на мгновение касается небольшого участка слизистой ротовой полости. Однако есть еще две причины, почему вы не обжигаетесь, когда потягиваете горячую жидкость. Во-первых, в этом случае воздух смешивается с жидкостью, остужая ее. Во-вторых, жидкость распадается на капли, каждая из которых способна отдать совсем немного тепла.

Любую пищу, куда входит горячий сыр, надо есть с осторожностью. И на это есть две причины. Во-первых, бывает, что поверхность сыра выглядит не слишком горячей, но внутри его температура достаточно высокая. Во-вторых, еще хуже, если сыр пристанет к нёбу. Тогда к слизистой рта от сыра переходит большое количество тепла, так что, обжегши нёбо за секунду, мучиться придется несколько дней.

Почему, если кипятить в кастрюле воду, пузырьки образуются задолго до того, как ее температура достигнет температуры кипения? Почему наиболее громкий шум доносится из кастрюли раньше, чем вода полностью закипит? И вообще, почему, когда воду греют на плите в кастрюле, она закипает?

ОТВЕТ •При повышении температуры сначала из воды выходят пузырьки воздуха. Они образуются на дне кастрюли, там, где тепло от плиты передается воде. Давление воздуха внутри пузырька раздувает его, что приводит к увеличению его поверхности, тогда как поверхностное натяжение (обязанное взаимному притяжению молекул воды) сжимает пузырек, уменьшая его поверхность. У маленьких пузырьков кривизна поверхности очень большая, поэтому сила поверхностного натяжения «переигрывает» давление, и такие пузырьки схлопываются (рис. 4.5a). Поэтому пузырьки воздуха не образуются не только в объеме кастрюли, но даже и непосредственно над ее дном.

Рис. 4.5 / Задача 4.43.a) Кривизна небольшого пузырька воздуха очень велика, велика и сжимающая его сила. б) Кривизна пузырька в трещине меньше, меньше и сжимающая его сила.

Однако в трещинах (или царапинах) на дне кастрюли (рис. 4.5б) могут сформироваться пузырьки с менее искривленной поверхностью. В этом случае «схлопывающая» сила поверхностного натяжения сравнительно мала. Такие пузырьки увеличиваются в размерах до тех пор, пока не станут настолько большими, что могут оторваться от трещины. Поскольку воздух легче воды, они поднимаются к поверхности воды. Этот процесс прекращается, когда практически весь воздух выходит из жидкости.

Вскоре после этого дно кастрюли становится достаточно горячим, и вода начинает испаряться. Теперь в трещинах образуются пузырьки, наполненные паром. Сначала они почти сразу лопаются, издавая характерный резкий звук, распространяющийся по воде, по стенкам кастрюли и по воздуху. Вода продолжает испаряться, пузырьки растут и постепенно становятся настолько большими, что могут оторваться от трещины и начинают всплывать вверх. Однако наверху, попав в более холодную воду, пузырьки схлопываются, водяной пар конденсируется и превращается опять в жидкость. Каждый раз, когда пузырек схлопывается, раздается характерный щелчок.

От чего зависит время, которое требуется, чтобы сварить яйцо вкрутую? Почему это время увеличивается, когда яйцо варят высоко в горах? Почему во время варки скорлупа обычно трескается и как этого избежать?

ОТВЕТ •Чтобы сварить яйцо вкрутую, температура желтка должна подняться примерно до 70°C. Температуру желтка можно повысить только за счет передачи тепла от воды желтку. Скорость теплопередачи зависит от разности температур между водой, в которой варится яйцо, и содержимым яйца. Если налить воду из-под крана, а затем постепенно повышать ее температуру до температуры кипения, потребуется от 10 до 15 минут. Время варки уменьшается, если яйцо опустить в кипящую воду, но тогда треснет скорлупа и часть содержимого яйца вытечет.

Время варки зависит от высоты, поскольку от высоты зависит скорость испарения воды, то есть количество молекул воды, покидающих ее поверхность. Молекулы на поверхности воды связаны друг с другом силами притяжения. Если температура воды повышается, повышается и тепловая энергия этих молекул (они двигаются быстрее). Некоторые из них могут разорвать силы притяжения и покинуть поверхность. Часть ушедших с поверхности молекул сталкивается с молекулами воздуха и отскакивает обратно в воду. При температуре кипения воды количество покидающих воду молекул существенно превосходит число молекул, возвращающихся обратно в воду при столкновениях. Кроме того, переход воды в пар именно при кипении сильно возрастает потому, что происходит испарение воды в пузырьки и выбрасывание этого пара в атмосферу при всплытии пузырька.

В горах плотность молекул воздуха над поверхностью воды меньше, а значит, меньше вероятность их столкновений с молекулами воды. Значит, там количество ушедших с поверхности воды молекул может существенно превосходить число вернувшихся обратно за счет столкновений, даже если температура ниже той, при которой это происходило бы на меньшей высоте. Да и пузырьки начнут всплывать при меньшей температуре. Короче говоря, температура кипения тем ниже, чем больше высота. А при более низкой температуре кипения времени, чтобы сварить яйцо вкрутую, потребуется больше.

Скорлупа яйца треснет, если холодное яйцо опустить в кипящую воду. Трещина появляется благодаря избыточному давлению газа, образующегося внутри яйца и распирающего его. Если давление повышается быстро, оно разрывает скорлупу, а из трещины выходит и поднимается цепочка пузырьков газа. Прокалывая скорлупу иголкой так, чтобы образовалось отверстие, через которое будет выходить газ, можно предотвратить повышение давления внутри яйца.