Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Пока мы производили вычисления, вода закипела уже и в чайнике без крышки. Почему кипение в нем начинается позже? Дело в том, что часть получаемой от огня энергии тратится на чистые потери: часть воды испаряется и уходит в атмосферу. В закрытом чайнике тоже происходило испарение, но вода не могла покинуть емкость. Она могла конденсироваться на крышке, возвращая таким образом затраченную энергию, и позднее повторно поглощалась жидкостью. Действительно, как только в закрытом чайнике концентрация водяного пара достигает определенного значения (которое зависит от температуры), количество испаряющихся молекул точно компенсируется количеством молекул, вновь поглощенных жидкостью.

Свисток – замечательное приспособление: несмотря на небольшой объем, он способен издавать пронзительный звук. Как работает свисток на чайнике? Эта задача механики жидкостей оказалась достаточно сложной для того, чтобы заинтересовать исследователей из Кембриджского университета в Великобритании. Вот их выводы.

Свисток, который устанавливают на носик чайника, состоит из двух металлических пластин, в которых просверлено узкое отверстие (см. илл.). Пар сначала проникает в полость, образованную носиком, размеры которого – около сантиметра – задают длину возбуждаемой звуковой волны. Чем длиннее носик, тем ниже звук! Затем струя пара выходит из полости через узкое отверстие и попадает в свисток. При этом струя пара оказывается неустойчива: она ведет себя подобно струйке воды на выходе из крана. Пройдя небольшое расстояние, она распадается на отдельные капли (см. главу 6, «Капающий кран»). Покидая же свисток с достаточно большой скоростью, струя образует многочисленные вихри, которые и являются источниками слышимых нами звуковых волн.

Механизм действия свистка чайника. Струя пара проходит через полости A и B посредством имеющихся в них двух узких отверстий. На выходе из свистка образуются вихри, которые и являются причиной свиста. (Согласно R. H. Henrywood and A. Agarwal, Physics of fluids . 25, 2013)

Небольшое пояснение. Для того чтобы вода начала переход из жидкого агрегатного состояния в газообразное, ей необязательно достигать температуры кипения (100 °C при обычном атмосферном давлении, см. главу 15, врезку «Скороварка и готовка на высоте»): доказательством этому являются бассейны для выпаривания соли, в которых морская вода медленно испаряется, оставляя после себя соляные кристаллы. Испарение воды, происходит оно при 100 °C или при более низкой температуре, требует затрат энергии; при обратном преобразовании – конденсации пара – эта же энергия выделяется обратно.

Заметим, что все же одно явление немного уменьшает преимущества при кипячении закрытого крышкой чайника: по мере того как в открытом чайнике вода испаряется, уменьшается количество воды, которое остается нагреть до 100 °C… Однако, как было показано выше, энергия, необходимая для нагрева определенного количества воды на несколько десятков градусов, значительно меньше энергии, необходимой для испарения той же массы воды. Таким образом, количество энергии, которое мы выигрываем из-за того, что не весь объем воды в чайнике придется доводить до кипения, оказывается гораздо меньшим, чем та энергия, которую мы вынуждены затратить на испарение той части воды, которая покидает чайник. Если вся вода, изначально налитая в чайник без крышки, нагрелась бы в среднем до температуры, равной 100 °C – Δ T , то излишек затраченной энергии составляет ( r – C Δ T ) Δ m , где Δ m – масса испаренной воды, Δ T составляет 20–30 °C; скрытая теплота r и удельная теплоемкость C были приведены выше. Что касается количества испаренной воды Δ m , то она пропорциональна площади поверхности воды и продолжительности времени нагрева (и, следовательно, обратно пропорциональна мощности плиты); на практике она достигает нескольких процентов от общей массы воды. Читатель может убедиться, что, когда мы забываем закрыть чайник крышкой, потери энергии составят порядка 30 %.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды. Это свойство используется в специальной кухонной посуде – скороварке. Англичане и итальянцы называют ее куда более прозрачно: pressure cooker и pentola a pressione (от «готовить под давлением»).