Щодня на сотнях мільйонів кухонь по всьому світу декілька разів на добу кипить вода. 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'язкове додержання таких умов:
- Наявність центрів пароутворення;
- Постійний підведення тепла;
Досягнення рідиною певної температури, званої температурою кипіння.
Чому в киплячій воді утворюються бульбашки пари?
Центри пароутворення, навколо яких починають з'являтися бульбашки - це дрібні тріщини, жирні плями, тверді частинки - пилинки. 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 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 пар, який виділяється всередину вже сформованих бульбашок. Так починається процес кипіння.
Причини шуму при закипанні
Перші ознаки кипіння можна спостерігати у дна чайника - там найбільша температура, саме там з'являються перші бульбашки. Кожен з них містить газ і насичена пара. Поки бульбашка маленький, він утримується силами поверхневого натягу. Потім швидко рухомі молекули води, які утворюють пар, накопичуються усередині бульбашки і він починає збільшуватися. Відрив відбувається в той момент, коли сила Архімеда, що виштовхує бульбашка, стає більше сил натягу, що утримують його. Бульбашка 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 бульбашки, щоб відірватися від дна. Час же 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 двоїстої 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 досліджував 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 жоден бульбашка 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 найгарячішою частини посудини. Тиск насичених парів дозволяє їм зберігати сферичну форму.
Зміна звуку при кип'ятінні води
При русі вгору, бульбашки потрапляють в більш холодні шари. Пар починає конденсуватися, тиск всередині падає. У якийсь момент він більше не може утримувати форму і схлопивается. Явище освіти, відриву і схлопування бульбашок під час кипіння назвали «кавітація». Були проведені необхідні розрахунки, які показали - частота звуку при схлопуванні близька до значення 1000 Гц. Дані відповідають експериментально виміряним параметрам. У міру нагрівання рідини, бульбашки перестають схлопуватися і рівень шуму змінюється. Частота звуку помітно знижується. Незабаром, вже все 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 зусиль визначити, коли вода в чайнику нагрілася до потрібної температури.
