Один из самых часто используемых предметов в быту — чайник, по крайней мере, у меня. Многие люди ставят кипятить в нем воду по несколько раз в день, но мало кто задается вопросом, почему вода шумит громче всего ДО того, как она закипит, а после закипания становится гораздо тише. Это одно из тех явлений, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, но почти не обращаем на него внимания.
Так в чем тут дело?
Ответ на этот вопрос сложнее, чем может показаться, ведь все происходит в несколько этапов:
Всем известно, что при достижении точки кипения (100 ℃) молекулы воды получают настолько большое количество энергии, что освобождаются от молекулярных связей, которые удерживают их вместе в жидкой форме и вода превращается в пар.
1. При закипании воды на дне чайника в самой горячей его части (температура нагревательного элемента превышает 100 градусов по Цельсию), образуются тысячи маленьких пузырьков воздуха и насыщенного пара, при этом каждый из них производит звук с частотой 100 Гц.
2. После дальнейшего нагревания пузырьки начинают отрываться от дна и подниматься к поверхности. Когда они проходят через намного более холодные слои воды, расположенные выше, то остывают и разрушаются. Такое «схлопывание» пузырьков газа создает приличные по силе ударные волны (эффект чем-то похож на гидравлический удар в трубах) и производит звук с частотой около 1 кГц, а сам процесс их образования именуется «кавитацией».
Кавитация — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости, в которой возникает.
Это весьма шумный, а иногда разрушительный процесс: например, кавитация приводит к эрозионному разрушению лопастей гребных винтов. Вот еще пример кавитации:
Так, пора вернуться к нашему чайнику… Почему шум воды усиливается до момента закипания, а потом становится гораздо тише?
Коллапсирующие пузырьки пара к тому же перемешивают жидкость, высвобождая еще более мелкие пузырьки паров воды и растворенного в ней воздуха. Эти дополнительно образующиеся микропузырьки также создают звук.
3, Наконец, когда верхние слои воды разогреются до температуры близкой с 100 ℃, пузырьки, которые образовались на дне поднимаются все ближе и ближе к поверхности. Из-за большего количества образующихся пузырьков начинает нарастать шум. А когда вся вода в чайнике достигнет точки кипения, то пузырьки пара уже поднимаются на поверхность и лопаются там, звук при этом намного более мягкий. Таким образом, вода перестает громко «шуметь» после того как закипит.
У кого-то может возникнуть вопрос, почему вода не шумит перед тем как закипеть, если ее разогревать в микроволновке? Виновником этого является сам принцип нагревания в СВЧ-печи. Благодаря микроволнам разогрев происходит практически равномерно и между разными слоями воды нет такой разницы в температуре, из-за которой пузырьки газа «схлопываются», так и не достигнув поверхности.