4.43. Кипятим воду

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.