Физика
Не конвекцией единой: настоящая причина, почемУ чай быстро остывает
Представьте: вы дуете на обжигающе горячий чай, чтобы его остудить. Все вокруг уверены, что работает холодный воздух. А что, если главный герой этого процесса — вовсе не он? Забудьте о конвекции. Вся магия охлаждения скрывается в «паровой пробке».
Вклад конвекции
Сейчас, холодной зимой, как никогда приятно заварить любимый травяной чай, закутаться в тёплый плед, включить любимый сериал или взять в руки интересную книгу и провести так целый вечер. Казалось бы, что может пойти не так? Только представьте: вы берете в руки горячую чашку, подносите ароматный напиток к губам и, делая первый глоток, ...обжигаетесь. Нужно было дать чаю остыть, а чтобы ускорить этот процесс, хорошенько подуть на него.
Кажется, что когда вы дуете на чай, он остывает из-за явления конвекции: поток более холодного воздуха попадает на поверхность жидкости и остужает ее. Это рассуждение правильно, однако конвекция, в этом случае, вносит совсем малый вклад.
Сейчас, холодной зимой, как никогда приятно заварить любимый травяной чай, закутаться в тёплый плед, включить любимый сериал или взять в руки интересную книгу и провести так целый вечер. Казалось бы, что может пойти не так? Только представьте: вы берете в руки горячую чашку, подносите ароматный напиток к губам и, делая первый глоток, ...обжигаетесь. Нужно было дать чаю остыть, а чтобы ускорить этот процесс, хорошенько подуть на него.
Кажется, что когда вы дуете на чай, он остывает из-за явления конвекции: поток более холодного воздуха попадает на поверхность жидкости и остужает ее. Это рассуждение правильно, однако конвекция, в этом случае, вносит совсем малый вклад.
Конвекция — второстепенная причина охлаждения чая.
Хаотичное движение молекул
С поверхности чая, как и с поверхности любой другой жидкости, постоянно испаряются молекулы. При испарении температура поверхности жидкости понижается. Теперь нужно понять, какие молекулы участвуют в этом процессе. Для этого обратимся к теории.
Молекулы непрерывно и хаотично движутся. Квадрат среднеквадратичной скорости их движения пропорционален средней кинетической энергии. В свою очередь, эта энергия пропорциональна температуре жидкости. Из-за этой зависимости хаотическое движение называется тепловым.
С поверхности чая, как и с поверхности любой другой жидкости, постоянно испаряются молекулы. При испарении температура поверхности жидкости понижается. Теперь нужно понять, какие молекулы участвуют в этом процессе. Для этого обратимся к теории.
Молекулы непрерывно и хаотично движутся. Квадрат среднеквадратичной скорости их движения пропорционален средней кинетической энергии. В свою очередь, эта энергия пропорциональна температуре жидкости. Из-за этой зависимости хаотическое движение называется тепловым.
Средняя кинетическая энергия молекулы \(\langle E_k \rangle\) прямо пропорциональна квадрату её среднеквадратичной скорости \(v_{\text{ср.кв}}\):
$$
\langle E_k \rangle = \frac{m v_{\text{ср.кв}}^2}{2}
$$
«Паровая пробка»
Не все молекулы будут покидать поверхность жидкости, некоторые из них останутся и вот почему. Дело в том, что речь шла лишь о среднем значении скорости, но на самом деле скорости молекул одного и того же вещества в одной и той же жидкости различны. Частицы вырываются за пределы жидкости и становятся паром, если имеют достаточную кинетическую энергию, т.е. достаточную скорость. Такие молекулы скапливаются над поверхностью жидкости и препятствуют дальнейшему испарению и, как следствие, охлаждению жидкости, в частности чая.
Когда вы дуете на поверхность жидкости, то смещаете эту «паровую пробку» и освобождаете место для испарения новых быстрых молекул. Таким образом, охлаждение ускоряется.
Теперь вы, дорогие читатели, вооружены всей необходимой информацией и можете с чистой совестью налить себе ароматный напиток и провести лучший вечер наедине с собой.
Не все молекулы будут покидать поверхность жидкости, некоторые из них останутся и вот почему. Дело в том, что речь шла лишь о среднем значении скорости, но на самом деле скорости молекул одного и того же вещества в одной и той же жидкости различны. Частицы вырываются за пределы жидкости и становятся паром, если имеют достаточную кинетическую энергию, т.е. достаточную скорость. Такие молекулы скапливаются над поверхностью жидкости и препятствуют дальнейшему испарению и, как следствие, охлаждению жидкости, в частности чая.
Когда вы дуете на поверхность жидкости, то смещаете эту «паровую пробку» и освобождаете место для испарения новых быстрых молекул. Таким образом, охлаждение ускоряется.
Теперь вы, дорогие читатели, вооружены всей необходимой информацией и можете с чистой совестью налить себе ароматный напиток и провести лучший вечер наедине с собой.
Автор: Влада Хвощинская, студентка физического факультета МГУ
