Почему чайник шумит перед закипанием?

0
Почему чайник шумит перед закипанием?
Почему чайник шумит перед закипанием?

Ежедневно на сотнях миллионов кухонь по всему миру несколько раз в сутки кипит вода. И каждый человек хоть раз в жизни задавался вопросом: «почему перед закипанием возникает шум?». Кто-то сразу вспоминает школьную программу и в памяти всплывает необычное слово «кавитация».

«Какие-то пузырьки лопаются – поэтому и шум», – услужливо подсказывает подсознание. Но точный ход процесса мало кто помнит. И, тем более, мало кто знает, что шум создают одновременно два явления.

Что такое кипение?

Что такое кипение? Есть четкое определение: «Кипение – парообразование, которое происходит одновременно во всем объеме жидкости». Для запуска процесса обязательно соблюдение следующих условий:

  1. Наличие центров парообразования;
  2. Постоянный подвод тепла;

Достижение жидкостью определенной температуры, называемой температурой кипения.

Материалы по теме:
Как образуются озера?

Почему в кипящей воде образуются пузырьки пара?

Почему в кипящей воде образуются пузырьки пара?
Почему в кипящей воде образуются пузырьки пара?

Центры парообразования, вокруг которых начинают появляться пузырьки – это мелкие трещинки, жирные пятна, твёрдые частицы – пылинки. Они задерживают небольшие объемы воздуха, а жидкость запирает воздух до начала кипения. Также в воде содержатся растворенные газы: кислород, азот, углекислый газ. Связи между молекулами газа и молекулами воды слабые и при нагревании быстро рушатся. Когда растворенный газ высвобождается, то давление воды заставляет его принять наиболее энергоэффективную – сферическую форму. Получаются пузырьки.

После выделения газа, высокая температура приступает к разделению молекул жидкости. Образовывается пар, который выделяется внутрь уже сформированных пузырьков. Так начинается процесс кипения.

Причины шума при закипании

Процесс закипания воды
Процесс закипания воды

Первые признаки кипения можно наблюдать у дна чайника – там наибольшая температура, именно там появляются первые пузырьки. Каждый из них содержит газ и насыщенный пар. Пока пузырек маленький, он удерживается силами поверхностного натяжения. Затем быстро движущиеся молекулы воды, которые образуют пар, накапливаются внутри пузырька и он начинает увеличиваться. Отрыв происходит в тот момент, когда сила Архимеда, выталкивающая пузырек, становится больше сил натяжения, удерживающих его. Пузырек освобождается и устремляется к поверхности

Материалы по теме:
Рыбы, которые могут обходиться без воды

Отрыв вызывает колебания жидкости. Именно эти колебания являются первой причиной шума при кипении. Можно оценить частоту получаемого звука. Она обратно пропорциональна времени, которое требуется пузырьку, чтобы оторваться от дна. Время же характеризует силу колебания, вызываемого отрывом.

Расчёты показали, что среднее время отрыва порядка 0,01 секунды, а значит частота звука около 100 Гц. Именно эти данные позволили ученым понять, что существует какая-то ещё причина шума при кипении чайника. Ведь реальная частота звука была измерена и оказалась на порядок больше рассчитанной.

Открытие двойственной природы шума было сделано шотландским ученым Джозефом Блэком. Это произошло в 18 веке, во время его работы в университете Эдинбурга.

Основной источник шума при закипании воды

Именно Джозеф Блэк первым исследовал процесс кипения и установил источник дополнительного шума. Он обнаружил, что не все пузырьки отрываясь от дна и стенок достигают поверхности. А в самом начале процесса закипания ни один пузырек не достигает поверхности – они пропадают в толще воды.

Материалы по теме:
Почему полезно пить воду?

Явление так заинтересовало ученого, что он провел несколько бессонных ночей, пытаясь обнаружить причину исчезновения пузырьков. Исследования помогли сделать правильный вывод. Ответ оказался прост – разница температур. В начале своего движения пузырьки находятся в самой горячей части сосуда. Давление насыщенных паров позволяет им сохранять сферическую форму.

Изменение звука при кипячении воды

Кавитация
Кавитация

При движении вверх, пузырьки попадают в более холодные слои. Пар начинает конденсироваться, давление внутри падает. В какой-то момент он больше не может удерживать форму и схлопывается. Явление образования, отрыва и схлопывания пузырьков во время кипения назвали «кавитация». Были проведены необходимые расчёты, которые показали – частота звука при схлопывании близка к значению 1000 Гц. Данные соответствуют экспериментально измеренным параметрам. По мере нагрева жидкости, пузырьки перестают схлопываться и уровень шума меняется. Частота звука заметно понижается. Вскоре, уже все без исключения пузырьки достигают поверхности. Шум стихает, возникает «бульканье».

Материалы по теме:
Запасы питьевой воды на Земле

Рождение, отрыв, всплытие и лопанье пузырьков – физическое явление, которое каждый день видят миллионы людей. Но кипение сложнее, чем кажется поначалу. Можно выделить два процесса: кавитацию и колебание жидкости во время отрыва пузырька. Характерный звук вызывают оба, но акустический эффект одного легко отличить от другого. По шуму можно без труда определить, когда вода в чайнике нагрелась до нужной температуры.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о