Чому чайник шумить перед закипанням?
Щодня на сотнях мільйонів кухонь по всьому світу кілька разів на добу кипить вода. І кожна людина хоч раз у житті ставила собі запитання: «чому перед закипанням виникає шум?». Хтось одразу згадує шкільну програму і в пам’яті спливає незвичайне слово «кавітація».
«Якісь бульбашки лопаються – тому шум», – послужливо підказує підсвідомість. Але точний перебіг 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, що відбувається одночасно у всьому обсязі рідини». Для запуску процесу обов’язково дотримання наступних умов:
- Наявність центрів пароутворення;
- Постійне підведення тепла;
Досягнення рідиною певної температури, яка називається температурою кипіння. Чому в киплячій воді утворюються бульбашки пари?
Чому у киплячій воді утворюються бульбашки пари?
Центри пароутворення, навколо яких починають з’являтися бульбашки – це дрібні тріщини, жирні плями, тверді частинки – порошинки. Вони затримують невеликі обсяги повітря, а рідина замикає повітря до початку кипіння. Також у воді містяться розчинені гази: кисень, азот, вуглекислий газ. Зв’язки між молекулами газу та молекулами води слабкі і при нагріванні швидко руйнуються. Коли розчинений газ вивільняється, то тиск води змушує його набути найбільш енергоефективної – сферичної форми. Виходять бульбашки.
Після виділення газу, висока температура приступає до поділу молекул рідини. Утворюється пара, яка виділяється всередину вже сформованих бульбашок. Так починається процес кипіння.
Цікаво: Чому обміліло Аральське море? Причини, фото та відео
Причини шуму під час закипання
Процес закипання води
Перші ознаки кипіння можна спостерігати біля дна чайника – там максимальна температура, саме там з’являються перші бульбашки. Кожен із них містить газ та насичену пару. Поки бульбашка невелика, вона утримується силами поверхневого натягу. Потім молекули води, що швидко рухаються, які утворюють пару, накопичуються всередині бульбашки і він починає збільшуватися. Відрив відбувається в той момент, коли сила Архімеда, що виштовхує пляшечку, стає більше сил натягу, що утримують його. Пухирець звільняється і спрямовується до поверхні
Відрив викликає коливання рідини. Саме ці коливання є першою причиною шуму під час кипіння. Можна оцінити частоту звуку. Вона обернено пропорційна часу, який потрібний бульбашці, щоб відірватися від дна. Час характеризує силу коливання, викликаного відривом.
Розрахунки показали, що середній час відриву близько 0,01 секунди, отже частота звуку близько 100 Гц. Саме ці дані дозволили вченим зрозуміти, що існує ще якась причина шуму при кипінні чайника. Адже реальна частота звуку була виміряна і виявилася значно більшою за розраховану.
Відкриття двоїстої природи шуму було зроблено шотландським ученим Джозефом Блеком. Це сталося в 18 столітті, під час його роботи в університеті Единбурга. Основне джерело шуму при закипанні води.Саме Джозеф Блек першим досліджував процес кипіння та встановив джерело додаткового шуму. Він виявив, що не всі бульбашки відриваючись від дна і стін досягають поверхні. А на самому початку процесу закипання жоден пляшечку не досягає поверхні – вони пропадають у товщі води.
Явище так зацікавило вченого, що він провів кілька безсонних ночей, намагаючись виявити причину зникнення бульбашок. Дослідження допомогли зробити правильний висновок. Відповідь виявилася простою – різниця температур. На початку свого руху бульбашки перебувають у гарячій частині судини. Тиск насиченої пари дозволяє їм зберігати сферичну форму. Зміна звуку при кип’ятінні води
Кавітація
При русі вгору, бульбашки потрапляють у холодніші шари. Пара починає конденсуватися, тиск усередині падає. Якоїсь миті він більше не може утримувати форму і хлопається. Явлення утворення, відриву та схлопування бульбашок під час кипіння назвали «кавітація». Було проведено необхідні розрахунки, які показали – частота звуку при схлопывании близька до значення 1000 Гц. Дані відповідають експериментально виміряним параметрам. У міру нагрівання рідини, бульбашки перестають хлопатися і рівень шуму змінюється. Частота звуку помітно знижується. Незабаром вже всі без винятку бульбашки досягають поверхні. Шум стихає, виникає «булькання».
Народження, відрив, спливання та лопання бульбашок – фізичне явище, яке щодня бачать мільйони людей. Але кипіння складніше, ніж здається спочатку. Можна виділити два процеси: кавітацію та коливання рідини під час відриву бульбашки. Характерний звук викликають обидва, але акустичний ефект одного легко відрізнити від іншого. За шумом можна легко визначити, коли вода в чайнику нагрілася до потрібної температури.