Чому чайник шумить перед закипанням?
Чому чайник шумить перед закипанням?
Щодня на сотнях мільйонів кухонь по всьому світу кілька разів в добу кипить вода. І кожна людина хоч раз в житті задавався питанням: «чому перед закипанням виникає шум?». Хтось відразу згадує шкільну програму і в пам’яті спливає незвичайне слово «кавітація».
«Якісь бульбашки лопаються – тому і шум», – послужливо підказує підсвідомість. Але точний хід процесу мало хто пам’ятає. І, тим більше, мало хто знає, що шум створюють одночасно два явища.
Що таке кипіння?
Що таке кипіння? Є чітке визначення: «Кипіння – пароутворення, яке відбувається одночасно у всьому об’ємі рідини». Для запуску процесу обов’язково дотримання наступних умов:
- Наявність центрів пароутворення;
- Постійний підведення тепла;
Досягнення рідиною певної температури, званої температурою кипіння.
Чому в киплячій воді утворюються бульбашки пари?
Чому в киплячій воді утворюються бульбашки пари?
Центри пароутворення, навколо яких починають з’являтися бульбашки – це дрібні тріщинки, жирні плями, тверді частки – порошини. Вони затримують невеликі об’єми повітря, а рідина замикає повітря до початку кипіння. Також у воді містяться розчинені гази: кисень, азот, вуглекислий газ. Зв’язки між молекулами газу і молекулами води слабкі і при нагріванні швидко руйнуються. Коли розчинений газ вивільняється, то тиск води змушує його прийняти найбільш енергоефективну – сферичну форму. Виходять бульбашки.
Після виділення газу, висока температура приступає до поділу молекул рідини. Утворюється пара, яка виділяється всередину вже сформованих бульбашок. Так починається процес кипіння.
Причини шуму при закипанні
Процес закипання води
Перші ознаки кипіння можна спостерігати біля дна чайника – там найбільша температура, саме там з’являються перші бульбашки. Кожен з них містить газ і насичена пара. Поки маленький пухирець, він утримується силами поверхневого натягу. Потім швидко рухаються молекули води, які утворюють пар, накопичуються усередині бульбашки і він починає збільшуватися. Відрив відбувається в той момент, коли сила Архімеда, яка виштовхувальна пухирець, стає більше сил натягу, що утримують його. Пухирець звільняється і спрямовується до поверхні
Відрив викликає коливання рідини. Саме ці коливання є першою причиною шуму при кипінні. Можна оцінити частоту одержуваного звуку. Вона обернено пропорційна часу, який потрібен пухирця, щоб відірватися від дна. Час характеризує силу коливання, що викликається відривом.
Розрахунки показали, що середній час відриву близько 0,01 секунди, а значить частота звуку близько 100 Гц. Саме ці дані дозволили вченим зрозуміти, що існує якась ще причина шуму при кипінні чайника. Адже реальна частота звуку була виміряна і виявилася на порядок більше розрахованої.
Відкриття подвійної природи шуму було зроблено шотландським вченим Джозефом Блеком. Це сталося в 18 столітті, під час його роботи в університеті Единбургу.
Основне джерело шуму при закипанні води
Саме Джозеф Блек першим дослідив процес кипіння і встановив джерело додаткового шуму. Він виявив, що не всі бульбашки відриваючись від дна і стінок досягають поверхні. А на самому початку процесу закипання ні один пухирець не досягає поверхні – вони пропадають в товщі води.
Явище так зацікавило вченого, що він провів кілька безсонних ночей, намагаючись виявити причину зникнення бульбашок. Дослідження допомогли зробити правильний висновок. Відповідь виявилася простий – різниця температур. На початку свого руху бульбашки знаходяться в найбільш гарячій частині посудини. Тиск насичених парів дозволяє їм зберігати сферичну форму.
Зміна звуку при кип’ятінні води
Кавітація
При русі вгору, бульбашки потрапляють в більш холодні шари. Пара починає конденсуватися, тиск усередині падає. В якийсь момент він більше не може утримувати форму і схлопывается. Явище освіти, відриву і схлопування бульбашок під час кипіння назвали «кавітація». Були проведені необхідні розрахунки, які показали, що частота звуку при схлопуванні близька до значення 1000 Гц. Дані відповідають експериментально виміряними параметрами. По мірі нагріву рідини, бульбашки перестають схлопуватися і рівень шуму змінюється. Частота звуку помітно знижується. Незабаром, вже всі без винятку бульбашки досягають поверхні. Шум стихає, виникає «булькання».
Народження, відрив, спливання і лопанье бульбашок – фізичне явище, яке кожен день бачать мільйони людей. Але кипіння складніше, ніж здається спочатку. Можна виділити два процеси: кавітацію і коливання рідини під час відриву бульбашки. Характерний звук викликають обидва, але акустичний ефект одного легко відрізнити від іншого. По шуму можна без праці визначити, коли вода в чайнику нагрівся до потрібної температури.