В чём секрет фокуса с разбрызгиванием горячей воды на морозе

В чём секрет фокуса с разбрызгиванием горячей воды на морозе?

Наверное все видели видео, когда очень горячую воду выплёскивают из сосуда на морозе, и на землю она падает уже в виде льдинок. Почему так происходит: почему горячая вода замерзает так быстро, и почему холодная вода так не делает?

Тут работают сразу два механизма, и оба они сводятся к проявлениям так называемого закона квадрата-куба.

Ключевая идея заключается в том, что при таком выплёскивании воды мы дробим её на множество мелких капелек. Площадь поверхности капли пропорциональна квадрату её радиуса, тогда как объём – кубу радиуса, а значит, отношение площади к объёму обратно пропорционально радиусу капли. А это значит, что если мы раздробим воду на множество мелких капелек того же суммарного объёма, то суммарная площадь поверхности таких капелек очень сильно увеличится.

Из-за этого происходят сразу две вещи.

Во-первых, вода в мелких капельках быстрее испаряется. Действительно, испарение – это парообразование со всей поверхности жидкости, и чем больше площадь поверхности, тем интенсивнее она испаряется: и мы действительно видим, как выплеснутую из сосуда воду буквально окутывает облако пара. Ну а испарение приводит к охлаждению жидкости, и чем интенсивнее она испаряется, тем сильнее охлаждается.

Однако испарение ведёт не только к охлаждению капель, но и к уменьшению их массы – причём чем горячее будет вода, тем сильнее она уменьшится!

А тем меньше масса капли, тем быстрее она замёрзнет.

Действительно, количество теплоты, которое должна отдать капля для того, чтобы замёрзнуть, пропорциональна её массе, то есть, объёму, то есть, кубу радиуса. А вот скорость охлаждения, то есть, отвода теплоты в окружающую среду, пропорциональна площади поверхности, или квадрату радиуса. То есть, чем меньше капля, тем выше будет относительная скорость её охлаждения, и тем быстрее она замёрзнет.

Сочетание обоих этих явлений и заставляет выплеснутую на морозе горячую воду замерзать на лету.