В этом году во многих регионах были крепкие морозы и тренду разбрызгать кипяток над собой поддался даже я. Я, правда, сделал это не ради эффектных кадров, а в качестве физического эксперимента. Честно сказать, в первый раз было страшновато, потому что морозы хоть и были крепкими для нашего региона, но не -30 или -40, как того требует физика для того, чтобы всё случилось наверняка и было безопасно.
Фотографии в самом деле могут получиться эффектные, типа таких.
Но у меня получилось не так эффектно.
Теперь давайте о том, почему же всё это происходит. Почему, выплёскивая кипяток, он не падает на снег, как дождь, а почти мгновенно превращается в пар. Парадокс?!
На самом деле нет. Это явление часто ошибочно называют эффектом Мпембы, они родственники, но тут всё проще и понятнее.
Если просто вылить кипяток с балкона, такой красоты не будет, получится просто лужа внизу. Но когда мы резко выплёскиваем его, разбиваясь на сотни мельчайших капель, кипяток радикально увеличивает площадь своего контакта с холодным воздухом.
Представьте кубик сахара и ту же массу, но растёртую в пудру. Пудрой можно засыпать весь стол в то время как кусок сахара будет иметь в сотни раз меньшую площадь поверхности. И если мы захотим растворить кусок сахара и ложку сахарной пудры в кипятке, то кусок будет растворяться долго, а пудра растворится почти мгновенно. Тут та же логика.
Для каждой микроскопической капли её собственная поверхность становится гигантской по сравнению с крошечным объёмом. А поверхность — это граница, где молекулы воды, получившие достаточно энергии (ставшие «быстрыми»), могут вырваться в воздух, превратившись в пар.
Учитывая огромную разницу температур (больше 100 градусов) и второй закон термодинамики получается мощнейший «двигатель» для теплообмена. Тепло из капли устремляется в холодный воздух с огромной скоростью. Однако энергия уходит не только на простое охлаждение. Основная её часть тратится на преодоление сил притяжения между молекулами воды — на фазовый переход, то есть на само испарение. Это и есть удельная теплота парообразования — скрытая теплота, которая не меняет температуру, а меняет состояние вещества.
На испарение одного грамма воды при 100 °C требуется в 5,5 раз больше энергии, чем на её нагрев от 0 °C до 100 °C. Вот и получается, что кипяток в полёте совершает акт самоохлаждения: самые энергичные молекулы с поверхности, превращаясь в пар, забирают эту колоссальную теплоту парообразования у своих соседей. Оставшаяся часть капли стремительно остывает.
Учитывая огромную площадь поверхности маленькой капли, и гигантское число "быстрых" молекул, которые вылетают из капли через эту поверхность, процесс становится лавинообразным. Тут же кроется ответ на вопрос, почему этот "фокус" не работает с холодной или просто тёплой водой.
Потому что, чем интенсивнее начальное испарение (у кипятка температура 100°С), тем быстрее падает температура капли. Но в первые мгновения потеря температуры всё равно не успевает за скоростью потери массы, потому что горячие "быстрые" молекулы слишком быстро и массово покидают каплю. Из-за этого значительная часть капли просто исчезает, став паром.
Если мороз не очень сильный (всего 20 или 25 градусов по Цельсию ниже ноля, как было в моём случае), то испариться успевает не всё, но то, что долетает до кожи, куртки или снега — это уже тёплая или даже прохладная взвесь, а не кипяток.
Короче говоря, успех эксперимента зависит от экстремальных условий: чем горячее вода и холоднее воздух, тем интенсивнее идёт процесс, тем красивее и эффектнее получатся фото. Но в этой же экстремальности кроется главная опасность. Даже лёгкий ветерок может направить струю пара и не успевшие испариться горячие капли на кожу. Поэтому надо обращать внимание на ветер и сначала попробовать испарить кипяток таким образом не над собой, а разбрызгивая его в сторону.
Как я сказал в начале, часто этот феномен ошибочно связывают с эффектом Мпембы — парадоксом, при котором горячая вода иногда замерзает быстрее холодной. Учёные до сих пор спорят о полном наборе причин эффекта Мпембы, рассматривая влияние испарения, переохлаждения, конвекционных потоков и растворённых газов. Однако в случае с разбрызгиванием кипятка на морозе мы наблюдаем не ускоренное замерзание жидкости, а мгновенный фазовый переход уже в воздухе — испарение с последующей кристаллизацией пара. Это родственные, но разные физические сценарии, объединённые тем, что вода при крайних температурах способна на удивительные и не всегда интуитивно понятные превращения.
Если было интересно, подпишись на мой Телеграм — он как раз для тех, кому нравится читать про науку простым языком, а ниже я подобрал для вас ещё несколько интересных статей, в их числе и статья, в которой я уже рассказывал про эффект Мпембы: