Уточняю задачу: Необходимо вскипятить часть воды налитой в чайник, но чтобы оставшаяся часть воды в чайнике была холодной. При этом нельзя вставлять в чайник любые перегородки, делить его на секции. И никаких фокусов – только физика!
Если вы читали предыдущие мои статьи, то уже поняли, что задача решается. Но чтобы её решить, придётся вспомнить некоторые физические законы.
Нагревание тел
Из жизненного опыта мы знаем, что физические тела и вещества меняют свою температуру, в зависимости от условий. Если к холодному телу поднести пламя огня или более горячее вещество, оно нагреется. При незначительном нагревании свойства вещества не меняются, за исключением изменения их объёма – нагретые вещества расширяются.
Что же тогда происходит при нагревании?
Мы уже знаем, что вещество состоит из молекул, которые пребывают в постоянном движении. Поскольку эти микроскопические частицы двигаются, то они обладают кинетической энергией. Кроме того, молекулы взаимодействуют между собой, поэтому у них есть и потенциальная энергия. В совокупности эти энергии составляют внутреннюю энергию. Температура тела – это не что иное, как измерение его внутренней энергии.
Чем выше температура – тем больше внутренняя энергия тела. Это значит, что молекулы ускоряют своё движение, увеличивая запас кинетической энергии.
Закон сохранения энергии гласит: энергия не может исчезнуть или возникнуть из ничего. Она может передаваться от тела к телу или превращаться в другие её виды. Эти превращения мы наблюдаем буквально на каждом шагу. Например, внутренняя энергия клеток нашего организма превращается в потенциальную энергию мышц, которая при нашем движении превращается в кинетическую.
Передача энергии
Накопленную энергию можно передавать другим телам. Например, если бильярдные шары соударяются, то часть кинетической энергии от катящегося шара передаётся неподвижному. После получения этой энергии неподвижный шар начинает катиться. Приблизительно такая же картина происходит при ударе молотом по какому-нибудь предмету – часть кинетической энергии молота передаётся молекулам, увеличивая их кинетическую энергию, то есть, нагревая предмет.
Нагреть предмет можно и другим механическим способом – деформируя его, то есть, выполняя над ним работу. Но проще всего нагреть тело путём передачи тепла от более горячего предмета. Можно ещё нагреть через контакт тела с более тёплым предметом, нагреть проводник электрическим током, облучением радиоволнами высокой частоты, повысить температуру в результате химической реакции. В любом случае мы придём к одному и тому же результату – повысим внутреннюю энергию тела.
Теплопроводность
Способность передавать внутреннюю энергию (тепло) посредством контакта от одного тела к другому – называется теплопроводностью. У разных веществ разная теплопроводность. Например, у металлов очень высокая теплопроводность, что объясняется близостью размещения атомов и молекул. Самая низкая теплопроводность у газов из-за малой их плотности.
Тепло в твёрдых телах распространяется постепенно – от горячего участка к холодному. Если нагревать на огне металлический пруток, то лишь через некоторое время тепло дойдёт до руки.
Конвекция
Несмотря на низкую теплопроводность жидкостей и газов, они нагреваются очень быстро. Это происходит потому, что нагретые нижние слои поднимаются вверх, а их замещают более холодные массы. Такое перемешивание называется конвекцией. Когда мы кипятим воду, то горячие пузырьки пара стремительно вырываются на поверхность, активно перемешивая жидкость. Если бы не существовало конвекции, то нагреть комнату было бы невозможно.
Лучевое нагревание
Хороший пример – солнечное тепло. Все тела, оставленные на солнце, нагреваются его лучами. Но существуют и невидимые лучи – инфракрасные. Ощутить действие инфракрасного излучения можно, приблизив руку к печке, батарее отопления или к другому нагретому телу.
Разогрев пищи в микроволновке происходит также в результате облучения, но это не инфракрасные лучи, а высокочастотные волны.
Кипение
При длительном тепловом воздействии на воду она нагревается до температуры 100 градусов, после чего начинается процесс интенсивного парообразования. Этот процесс называется кипением. Для поддержания кипения необходимо постоянно поддерживать температуру (для воды – 100 градусов по Цельсию). Это необходимо потому, что на парообразование расходуется значительная часть энергии.
Температура кипения у разных жидкостей разная. Она зависит также от давления. Чем выше давление, тем выше точка кипения. На этом принципе работает скороварка. В обычных условиях кипящую воду невозможно нагреть выше 100 градусов, а в скороварке, благодаря высокому давлению вода нагревается до более высоких температур, что способствует быстрому приготовлению пищи.
Как в чайнике вскипятить половину объёма воды?
Переходим к вопросу, поставленному в заглавии статьи. Нагревая воду обычным способом (снизу) мы не сможем решить задачу, так как в результате конвекции вода постоянно будет перемешиваться, пока не закипит.
Однако нам ничего не мешает вскипятить часть воды, нагревая её сверху, например небольшим бытовым кипятильником.
При таком способе кипячения нагреваться будут только верхние слои воды, то есть, слои, расположенные над кипятильником. Они же и будут перемешиваться в результате конвекции, происходящей только над кипятильником. В конце концов, верхние слои воды вскипят, а нижние останутся холодными.
Если быть точным, то надо сказать, что вода, находящаяся ниже уровня кипятильника, немного нагреется в результате теплопроводности. Но в любом случае этого тепла явно не хватит для закипания. Поэтому кипеть будет только условная половина объёма воды. На дно нашего чайника можно даже положить куски льда, и он не растает, пока верхние слои воды будут кипеть.
