Из личного опыта каждому известно, что в кипятке чай заваривается гораздо быстрее, чем в холодной воде. Но как объяснить это явление с точки зрения физики?
По своей сути, заваривание чая — это процесс диффузии: самопроизвольного перемешивания частиц, которое приводит к выравниванию их концентрации в занимаемом объеме. Молекулы красящих пигментов, содержащиеся в чайных листьях, перемещаются в чистую воду, где их концентрация изначально ниже. Скорость этого процесса напрямую зависит от энергии, которой обладают частицы.
Все частицы материи участвуют в непрерывном и хаотическом тепловом движении — их способность к движению является неотъемлемым свойством материи с момента Большого взрыва. Чем выше температура вещества, тем выше средняя скорость его молекул. И наоборот: чем выше скорость молекул, тем выше температура. Таким образом, температура является мерой средней кинетической энергии частиц. То, что мы на макроуровне воспринимаем как нагрев, в микромире соответствует увеличению скорости движения молекул.
В холодной воде молекулы движутся относительно медленно. Их столкновения с частицами чая недостаточно энергичны, чтобы эффективно «выбивать» молекулы из листьев. В кипятке ситуация кардинально меняется. Молекулы воды, обладая большой кинетической энергией, движутся с высокими скоростями. Каждое их столкновение с чайным листом представляет собой мощный импульс, передающий достаточно энергии для быстрого высвобождения молекул вкуса и аромата. Эти высвобожденные частицы, в свою очередь, практически мгновенно разносятся по всему объему чашки.
Количественно этот эффект описывается правилом Вант-Гоффа — одним из краеугольных камней химической кинетики. Согласно ему, при повышении температуры на каждые 10°C скорость большинства химических процессов увеличивается в 2–4 раза. Разница между комнатной водой (~20°C) и кипятком (~100°C) составляет 80°C. Это означает, что скорость заваривания возрастает как минимум в 256 раз (если принять минимальный коэффициент за 2, то 2⁸ = 256). Это не образное преувеличение, а физическая реальность.