4.51. Гейзеры и кофейный перколятор

Почему пар и вода, содержащая различные добавки, бьют из гейзера фонтаном, а не изливаются спокойно? Почему извержение некоторых гейзеров, например «Старого cлужаки» в Йеллоустонском национальном парке, происходит периодически?

Обычный кофейный перколятор[56] состоит из перевернутой воронки, помещенной на дне кофеварки, а на трубочке сверху держится контейнер с молотым кофе (рис. 4.6a). Как готовится кофе в такой кофеварке?

Рис. 4.6 / Задача 4.51. a) Перколятор с перевернутой воронкой. б) Перколятор из колб.

ОТВЕТ • «Старый служака» — наверное, самый изученный гейзер. Видеокамера зафиксировала и как гейзер заполняется водой, и как происходит извержение. На самом деле этот гейзер — трещина глубиной до 200 м. По ее стенкам вниз стекают холодная и горячая вода, просачивающиеся сквозь расщелины в соседних скалах. Источник тепла, нагревающий воду, — магма, расположенная на глубине нескольких километров.

«Старый служака» оживает, когда внизу, на глубине 6–7 м, температура воды поднимается выше точки кипения, соответствующей этой глубине. (С глубиной возрастает давление, а следовательно, и температура кипения воды.) Пузырьки пара поднимаются и отдают тепло находящейся выше воде, температура которой ниже точки кипения на этой глубине. Однако скоро и эта вода нагревается до температуры кипения, а затем в результате стремительного расширения превратившейся в пар воды из гейзера вверх выбрасывается столб воды и пара.

Затем процесс повторяется, но как скоро это произойдет, зависит от того, сколько воды осталось в гейзере после предыдущего выброса. Обычно интервал между выбросами составляет либо около часа либо около полутора часов. Это означает, что имеется два преимущественных места поступления воды в трещину, причем поступающая вода имеет в этих случаях разную температуру.

Когда перколятор, нижняя камера которого представляет собой перевернутую воронку, ставят на горячую конфорку, вода на дне внутри воронки нагревается и частично превращается в пар. Быстрое расширение пузырьков пара проталкивает через трубочку вверх узкую струйку воды. Вода попадает в контейнер с молотым кофе, а затем, пройдя через кофе, стекает вниз. Процесс продолжается до тех пор, пока кофе не станет достаточно крепким.

Другой распространенный перколятор состоит из двух стоящих друг на друге колб, плотно соединенных резиновой прокладкой (рис. 4.6б). Молотый кофе находится в верхней, открытой колбе, а воду наливают в нижнюю. Колбы соединяет узкая трубочка, нижний конец которой находится ниже уровня воды в колбе снизу. Когда вода в нижней колбе достаточно нагревается, расширившийся воздух и водяной пар выдавливают воду по трубочке в верхнюю колбу. Затем перколятор снимают с огня. При остывании нижней колбы там конденсируется водяной пар, давление воздуха падает и становится ниже атмосферного давления. Поскольку верхняя колба открыта, давление в ней равно атмосферному. Благодаря разности давлений в двух колбах жидкость выталкивается через трубочку из верхней колбы в нижнюю. В результате этого движения вверх-вниз вода проходит через молотые кофейные зерна, из них экстрагируются растворимые вещества и напиток становится крепче. Когда вся вода стечет в нижнюю колбу, кофе готов.