МАРАФОН-2002

Экспериментальный театр

Пленочное кипение. 8-й класс
Античайниковый эффект

С чего все началось? Должно быть, с чайникового эффекта, который захотелось увидеть. Но не получилось. Эффект-то наблюдался, да не тот, который ожидался. Вышел он античайниковым.

Давно это было... Забежал ко мне в гости друг, увидел на плите новенький, сияющий никелевым покрытием металлический чайник. Приподнял, внимательно его весь осмотрел, даже донышко, и предложил провести опыт из Перельмана, классика занимательной науки. Сколько мы из его «Занимательной физики» опытов переделали...

Ну я и приступил к эксперименту. Вскипятил воду в чайнике и отправился с ним в ванную комнату. Выставил левую руку ладонью вверх над ванной. Пошевелил пальчиками. Волнительно. Рука от переживаний вспотела и стала влажной. Чайник надлежало безбоязненно поставить донышком на ладонь и подержать несколько секунд. «Ожога не будет!» – вроде так предсказывал автор книги «Знаете ли вы физику?». И я с верой в успех припечатал к себе горячее донышко. «А-а-а!» – не сошлась теория с практикой.

Книжку эту я потом, конечно же, разыскал. Оказалось, что мой друг пренебрег некоторыми, с его точки зрения, «мелочами»: пока я разгуливал с чайником и собирался с духом, его донышко охладилось ниже критических 150 °С, и не бурлила в нем вода в момент припечатывания!

Я ничего не понимаю

Сварите в кастрюльке куриное яйцо. Достаньте его ложкой из кипятка и быстро, пока оно еще влажное, возьмите его в руки. Хотя яйцо и горячее, все же его можно удержать в руках. Через несколько секунд яйцо высохнет, и удерживать его вы уже не сможете – слишком горячо.

Вспомните, что вы делаете, когда желаете убедиться, достаточно ли нагрелся электрический утюг? Правильно, вы на мгновение прижимаете пальчик, предварительно смоченный слюной, к его поверхности. «Пш-ш-ш...» – звучит сигнал готовности. И никакого дискомфорта.

Хотите разыграть своих знакомых? Достаньте из своего нагрудного кармана аккуратно сложенный белый носовой платок. Смочите его спиртом или ацетоном и, удерживая за край пинцетом, поднесите к нему горящую спичку. Когда пламя погаснет, продемонстрируйте первозданную белизну материи. Какой-нибудь умник наверняка заявит, что все дело в горючей жидкости – с любым платком такое получится. Докажите – не с любым. Для удивления зрителей сожгите предоставленный вам для экспертизы (или свой, подставной) точно так же, на глазах у всех, смоченный платок. Догадались, чем обеспечена сохранность первого платка? Он был предварительно смочен водой до состояния чуть влажного.

Во всех случаях есть что-то общее. Очевидно, что защита различных тел (руки, пальца и платка) от перегрева осуществляется за счет спасительной влаги. Но каким образом? Тепло, поступающее (от горячего яйца, утюга и сгорающего спирта) к телу, идет на испарение воды. Пока жидкость не улетучилась, существует и защита.

Но что-то в этом объяснении меня не устраивало. Не все так просто. Но что?.. Понял. Не вписывалась в эту теорию античайниковая история из прошлого. Явное исключение. Хотя все атрибуты налицо: горячий чайник (источник тепла), спасительная влага (пот) и требующая защиты ладонь руки. Быть может, недостаточно волновался тогда, и мало образовалось влаги? Может, надо было дополнительно смочить руку?

Попытался обратиться за помощью к автору. И впервые не получил ее. «...влага, покрывающая ладонь (пот), приходит в соприкосновение с дном чайника в так называемое сфероидальное состояние; дно чайника в первые моменты после снятия с огня достаточно для этого нагрето. Когда же дно охладится ниже 150 °С, сфероидальное состояние не осуществляется, жар становится ощутительным».

Понятно, что чайник тогда имел недостаточно высокую температуру. Но недостаточную для чего? Во всем, оказалось, виновато загадочное «сфероидальное» состояние. Если оно есть – будь спокоен, нет – кричи «караул». И как выяснилось позже, поверхностна схожесть явлений в приведенных примерах. В зависимости от того, наступает «чудо-состояние» или нет, процесс идет по одному или другому сценарию. А кто бы мог подумать...

О трех «китах» теплопередачи и о правилах Техники Безопасности

Проходил у меня как-то открытый урок: обмен опытом, оценка знаний учащихся и мастерства учителя. На последних партах – коллеги, комиссия. Тема – «Три кита теплопередачи» (теплопроводность, конвекция, излучение). На них многие тепловые явления «опираются». Работа с классом прошла превосходно. Разобрались основательно с каждой из «опор»: наблюдали на опытах, выделяли отличительные черты, отработали усвоение на качественных вопросах. Материал для общения благодатный.

– Зачем в окнах домов делают двойные рамы?

– Как быстрее охладить жидкость в сосуде: поставить его на лед или положить лед сверху, на крышку?

– Можно ли с помощью вентилятора замедлить таяние мороженого?

– Вы собрались позавтракать и налили в стакан кофе. Но вас просят отлучиться на несколько минут. Что надо сделать, чтобы к вашему возвращению кофе остыл как можно меньше: налить молоко сразу перед уходом или когда вернетесь? Вопрос-подсказка: когда вода в чайнике быстрее нагревается: от 20 до 30 °С или от 80 до 90 °С?

Сколько было эмоций, споров, догадок...

Предлагаю и вам, читатель, сделать небольшую остановку, сменить вид деятельности. Подумайте над этими вопросами. Только не прячьтесь при ответе за научную терминологию типа «сфероидального состояния». На пальчиках объясните: что, как и почему.

Концовка того урока для нас особый интерес представляет. Вызвал добровольца: «За науку пострадать не боишься?»

Насадил он на кончик своего пальца пробирку, а ее верхнюю часть ввел в пламя спиртовки. ...И ожидаемый эффект подтвердился – плохая теплопроводность воздуха длительное время защищала палец от нагрева.

Трудились, как обычно, «три кита» совместно. Но каждый в меру своих сил и возможностей.

Разобрались в необходимости наклона пробирки – «дно выше пальца», а не наоборот, и в причине плохой теплопроводности газов и паров. А вот на вопрос жертвы эксперимента: «Как снять теперь застрявшую пробирку с пальца?» – ответить не успели. Другая тема, да и звонок прозвенел.

– Дома подумайте, как нашему герою помочь, – пошутил я, совершенно забыв о придирчивых гостях урока. А зря! Каждая шутка страдает своей неоднозначностью.

Вам интересно узнать, почему мне вдруг вспомнился этот эпизод? Охотно отвечу. По двум причинам. Во-первых, обсуждаемые на уроке вопросы имеют к нашей теме непосредственное отношение, а во-вторых, захотелось напомнить о технике безопасности (ТБ), которая лишней никогда не бывает.

Неожиданный результат

Однажды решали мы простенькую задачу. Требовалось оценить нагрев воды в бочке, в которую кузнец бросил изготовленную подкову. Ученик у доски бойко стучал мелом:

– Если считать, что количество теплоты, которое при охлаждении отдает подкова (Q_п), передается только воде (Q_в), то уравнение теплового баланса для нашего случая будет иметь вид: Q_п + Q_в = 0.

Количество же теплоты (Q) при охлаждении и нагреве находится так: Q=cm (t_к – t_н), где c – удельная теплоемкость вещества; m – его масса; t_к и t_н – конечная и начальная температуры. После завершения теплообмена подкова и вода будут иметь одинаковую температуру. Перезапишем с учетом всего этого первое уравнение:

c_пm_п(t_к – t_{н.подковы}) + c_вm_в(t_к – t_н.воды) = 0.

И найдем температуру:

Подставим числовые значения. Часть из них найдем в справочнике, часть – зададим сами. Пошуршали ребята страницами, поспорили и приняли, что для железной подковы c_п=460 Дж/(кг • °С), m_п=1 кг, t_{н.подковы}=500 °С; для воды в бочке c_в=4200 Дж/(кг • °С); m_в=100 кг; t_н.воды=20 °С.

Калькуляторы не заставили себя ждать и выдали ответ. Оказалось, вода нагрелась весьма незначительно.

Поставив отвечавшему заслуженную пятерку, я обратился ко всем: «А сколько подков должен изготовить и бросить в бочку кузнец, чтобы вода закипела?»

Ответ последовал моментально:

– Вода кипит при 100 °С, значит, ее надо нагреть на 80 °С. Нам же известно, на что способна одна подкова...

– Неверно! Думайте!

И кто-то догадался, что вторая подкова будет нагревать не только воду, но и первую подкову, и не от 20 °С, а от более высокой температуры. А третья... И так далее. Вот это «и так далее» и повергло всех в уныние. Подков-то сколько... Не формула получится, а чудовище. Думайте! И когда, казалось, отчаяние завладело массами, нашлась светлая голова:

– А что, если одновременно бросить все подковы?

Реальный процесс отличается от «задачного» так же, как действительность от сказки. Бочка – не термос, подковы кидают не разом, а потери энергии водой за счет теплообмена с окружающей средой увеличиваются по мере нагрева жидкости. И это еще не все... Школьными методами задачу не осилить. На самом деле вода закипит уже при первой подкове.

Раскалите в пламени спиртовки (свечи) монетку (гвоздик) и бросьте его в стакан с водой. «Пш-ш-ш!» – облачко пара подтвердит состоятельность вышеизложенного.

Но ради интереса все же рассчитайте «неправильным» способом количество изделий кузнеца и прикиньте продолжительность его рабочего дня.

Знакомство с кипением

Кипение кипению рознь! И в этом можно удостовериться, «поводив пальцем» по схеме, приведенной ниже.

Ознакомились? Тогда попытайтесь установить соответствие между перечисленными ниже опытами-явлениями и указанными типами парообразования (испарение, сублимация, объемное кипение и поверхностное).

• Снятый с огня чайник поставили на ладонь.
• В кастрюльке с яйцом бурлит вода.
• Куриное яйцо вынули из кипятка и взяли в руку.
• Влажным пальцем коснулись горячего утюга.
• Платок увлажнили, потом смочили одеколоном и подожгли.
• Раскаленную подкову бросили в бочку с водой.
• Нить лампы накаливания в процессе своей работы становится все тоньше, пока не оборвется («перегорит»).

Убедились, что дело это непростое? И трудно порой определить границу, отдать предпочтение тому или иному типу кипения. Явно не хватает категорий «и то и другое» и «непонятно, что». Вот что бывает в сложном реальном мире.

Приключения капли на поверхности утюга

Театр двух актеров. Первое представление.

– Как вы думаете, что произойдет с каплей воды, если ее поместить на раскаленную поверхность? – интересуется мой напарник Юра, занося пипетку с жидкостью над перевернутым утюгом.

Житейский опыт подсказывает, что нагреется и испарится.

– Давайте убедимся в вашем заблуждении, – многозначительно произносит Юра, и капля воды срывается с кончика пипетки. О зрелищности и наглядности мы подумали загодя – видеокамера проецирует микрособытия на телеэкран. Утюг всю диагональ занимает.

«Пф-ф-ф...» – вода, растекаясь, пузырится и исчезает. Это новый поворот в сюжете. Может, перегрелся утюг?

– Юрка, это удача, – шепчу я и предлагаю повернуть ручку регулятора мощности на максимум. А чтобы зрители не скучали, озадачиваем их:

– Попробуйте предсказать, как изменится наш эксперимент, если поверхность станет горячее?

– Вода зашипит сильнее!

– Быстрее испарится!

– Шариками запрыгает, как масло на сковороде.

Юра не удержался от соблазна теоретического спора:

– Почему шариками? Я вот думаю, что кубиками! – И «задумался». Паузу выждал. Но оппоненты такую ахинею стерпеть не смогли, и зазвучало что-то о поверхностном натяжении, о каплях росы и дождя, о смачивании и несмачивании. Что нам и надо. В конце концов разобрались. Это принцип – никаких фокусов, все с пониманием. Спасибо недогретому утюгу – улучшил сюжет. А нагрелся, так теорию подтвердил: с треском запрыгали по нему водяные шарики. Скачут и не спешат испаряться. Зрители с экрана глаз не сводят, разглядеть желают, какой они формы.

– А теперь внимание! Видеозапись.

На экране появляется большая капля в раскаленной ложке. Спокойно, почти не испаряясь. Красуется. Но стоило нам начать охлаждать ложку, как водяной сфероид мгновенно испарился.

– Абсурд или парадокс?

Шаг за шагом мы приближаемся к истине.

На раскаленном металле нижняя часть капли почти мгновенно испаряется, и давление образовавшегося под ней пара не позволяет остальной части коснуться гибельной поверхности. Вот и покоится та на паровой, плохо проводящей тепло «подушке». Толщина защитного слоя – десятые доли миллиметра, но он постоянно пополняется за счет пленочного кипения. А нет «подушки», нет и защиты.

Настало мое время, и я, разматывая ватман, вступаю в игру:

– Не думайте, что это муха, случайно залетевшая в чернильницу, отправилась на прогулку меж двух осей. Этот график показывает, как время жизни «водяной красавицы» (t) зависит от температуры поверхности под ней (t). Анализировать его нам было ничуть не сложно, ведь «три кита» – надежная опора. Раскрыли тайну долгожительницы:

– Как объяснить увеличение продолжительности жизни капли при увеличении температуры на участке АВ?

– Появление прослойки пара снижает интенсивность теплопередачи. Чем горячее ложка или утюг, тем толще «подушка» и длиннее жизнь.

– А что случилось на ВС?

– Там излучение во всей красе. Его интенсивность увеличивается с ростом температуры, и паровая защита перестает спасать.

Понимание в зрительских глазах рождает новый экспромт:

– Разыгрывается право стать участником интереснейшего эксперимента. Этого удостоится тот, кто сможет изобразить начало нашего графика в интервале температур от нуля до ста.

Юрка вкладывает в мою руку фломастер, и я удлиняю горизонтальную ось в указанном направлении.

Победитель определился быстро, он заинтригован предстоящим и ждет.

– Двести градусов ниже нуля, – комментирую я, наклоняя термос над прозрачным сосудом, – такова температура жидкого азота.

Но дрогнула рука, и порция чудо-жидкости случайно очутилась на столе.

– Смотрите! – настал черед напарника обратить неудачу в успех.

Азотные капли бегали по столу и никак не желали «умирать».

– Где-то мы уже такое видели... – многозначительно посмотрел он на телеэкран.

И зрители догадались.

Эксперимент, который был обещан ребятам, мы показали. Но не раньше, чем разобрались с пленочным кипением азота. Показывать чудеса – не наш стиль.

О чем поет ложка

Рассказывая о своем школьном прошлом, я иногда шутливо уточняю: «...когда я был хулиганом...» Подтверждений тому предостаточно. Вспомнил об этом и сейчас, листая потрепанный ученический дневник. Страницы истории пестрят призывами, требованиями и резолюциями. Остановился на размашистом традиционно красном обращении: «Тов. родители, ваш сын глотал на уроке сухой лед. Примите меры!»

– Безграмотная запись, – оценил я – бывший нарушитель, а ныне учитель физики.

Сухой лед – твердый диоксид углерода, СО₂. Обычно используется продавцами мороженого. Сублимирует (превращается в газ, минуя жидкое состояние) прямо на глазах, имея температуру около восьмидесяти градусов ниже нуля.

Помнится, положил я тогда несколько кусочков на гладкую поверхность алюминиевой тарелки и принялся наклонять ее в разные стороны. Занятно было наблюдать, как скользят по ней кусочки на «углекислых подушках». Но действо быстро наскучило, и тогда... Нет, глотать я ничего не стал. В мои планы это не входило. Не враг я себе. Всего лишь стал перемещать небольшой кусочек в полости рта, концентрируясь на том, чтобы он оставался только там. И при этом я еще выдыхал. Влага в моем холодном дыхании конденсировалась, превращаясь в облачка тумана, выходящие изо рта. Точно на морозе. Одноклассницы были поражены. Учитель тоже:

– Что случилось? Ты болен? Не молчи!..

Вам рекомендовать этот трюк никак не могу из соображений ТБ! А вдруг проглотите? Но не расстраивайтесь, лучше послушайте, о чем поет чайная ложка в красивом и безопасном эксперименте.

Для этого прижмите ее к кусочку сухого льда. Вы услышите громкий завывающий звук. (К счастью для моих учителей, об этом опыте я узнал после окончания школы.) «Пение» длится недолго. Захотите его возобновить, нагрейте ложку и вновь прижмите. Высоту тона и громкость в определенных пределах можно менять, прикладывая к «певунье» различное усилие.

Явление можно объяснить тем, что тепло металла быстро превращает в газ тот участок льда, которого коснулась ложка. Обильно выделяясь, углекислый газ с силой вырывается из-под ложки, она колеблется и, подобно мембране телефона, колеблет воздух, – мы слышим звук.

Если прислушаться к этим завываниям, то можно понять, почему сухой лед не отморозил мой язык, а ведь разность температур была более чем cто градусов. Ключ к разгадке у нас в руках. Мне это явление что-то напоминает... А вам?

«Переспросите» у визжащей кастрюльки. Налейте в нее холодную воду и поставьте на твердое основание (лучше всего на кафельные плитки). А под донышко положите кусочек твердого СО2. Кастрюлька-резонатор усилит глас истины. И вы непременно сообразите.

Реальность мифа

В начале ХХ в. на карнавалах показывали интереснейший трюк. Надо было проверить.

Паяльная лампа гудит, точно реактивный двигатель. Голубой столб пламени упирается в бок консервной банки. За лохмотьями копоти – рубиновая от нагрева жесть. Внутри – жидкий свинец. Горячее дыхание металла и справочник подсказывают, что его температура выше 327 °С – температуры плавления. Блестящий, как ртуть, металл прячется за поверхностным сине-фиолетовым оксидным слоем. Пленка – точно на молоке. Попробовал снять деревянной лопаткой – она чернеет, дымит и загорается.  И в это пекло трюкач погружал кисть руки? Ох! Кто-то, когда-то... А я... сейчас?.. Без должного теоретического обоснования и понимания?

Паяльная лампа пшикнула напоследок оранжевым огоньком, свинец охладился и затвердел, а я окунулся в недели исканий и осмыслений.

В общих чертах теория трюка была понятна: при соприкосновении мокрых пальцев храбреца с горячим жидким металлом, вода вследствие пленочного кипения моментально одевала их в «паровую перчатку», которая непродолжительное время могла служить защитой: излучения и проводимости было недостаточно для того, чтобы ощутимо поднять температуру кожи и вызвать ожог. В общих чертах...

Но оставались нюансы исполнения, от которых зависел результат. Так, например, узнал, что влаги на потной руке недостаточно, требуется дополнительное смачивание. И что температура расплава должна быть не менее 400 °С (!). Наученный еще горьким опытом «античайникового эффекта», я сознавал всю важность критических температур. При более низких значениях свинец может затвердеть прямо на пальцах, что приведет к сильнейшему ожогу. При более высоких – будет наблюдаться участок ВС графика, описывающего «приключения капли на подошве раскаленного утюга».

Задумавшись, непроизвольно нарисовал график – «перевернутую горку» степени риска. Как бы не проехать поворот? Попытка спастись с помощью излишней влаги на пальцах к добру не приведет: ее мгновенное обращение в пар может способствовать взрывному разбрызгиванию металла. (Помнится, давным-давно, когда я был хулиганом, то попытался остудить расплавленный свинец, плеснув в него порцию холодной воды. Брызги металла разлетелись тогда по всей кухне и чудом не попали в глаза.)

Без нахождения и определения безопасного интервала температур «поворота» приступать к эксперименту было нельзя, а измерительного прибора с нужным пределом измерения достать не удалось.

Не использовать же метод проб и ошибок! Не использовать ли... А почему бы и нет?!

Знакомая банка со свинцом. Под ней деловито шипит туристический примус. Через семь минут должна появиться оксидная пленка. Изображение – на телеэкране. Я объясняю физику предстоящего чуда и решаю сверхзадачу по ТБ, – очень важно, чтобы зрители, прибежав домой, не ринулись воспроизводить увиденное. Я акцентирую внимание на использовании «особого» металла, трудностях «достижения и поддержания строго определенного температурного режима расплава», о последствиях его несоблюдения. В общем, преувеличиваю технологическую сложность процесса и запугиваю для пользы дела.

Тем временем мой напарник, не привлекая внимания зрителей, измеряет температуру расплава: на мгновение опускает туда аналог мокрого пальца – кусочек очищенного картофеля. Последующий осмотр показывает, что на овощном «индикаторе» свинец не затвердел (значит, температура выше критической), картофель сохранил свой цвет и нагрелся незначительно (что фиксируется рукой). И я в спешном порядке заканчиваю инструктаж по ТБ: обугливаю и зажигаю деревянную лопатку, избавляясь от оксидного слоя.

Все остальное просто: опускаю пальцы в стакан с водопроводной водой, стряхиваю избыток. Затем быстро погружаю их в зеркало металла, касаясь дна. Миф превратился в реальность.

– Ах! Ох! – и дружный вздох облегчения.

Юра произносит заключительные слова. А на меня наваливается грусть. Ведь ожидание и подготовка – важнее самого праздника, а самое интересное уже позади.

Вместо заключения

Рассказывают, что вождь одной из африканских деревень, чтобы определить, кто из двух подозреваемых говорит правду, приказал каждому лизнуть горячий нож. «Детектор лжи» сработал, и истина восторжествовала.

Как вы считаете, лжец был определен:

А) случайным образом?
Б) благодаря «нефизическим» причинам?
В) в соответствии с законами физики?

Правилен ответ В: у лжеца пересохло во рту, и он лишился защиты пленочным кипением.

В Древнем Китае поступали гуманнее: подозреваемые должны были разом выплюнуть изо рта пригоршню рисовых зерен. Виновный был на это не способен. Улавливаете сходство? С мокрым от слюны зерном справиться с заданием было намного проще.

Все вроде бы понятно, кроме одного: почему сам пар не обжигает, имея для этого, казалось бы, высокую температуру и запас внутренней энергии?

Очевидно, каких-то фрагментов в моей «мозаике» недостает, и это еще не конец истории.

Сергей Николаевич Кириллов тринадцать лет пытается увлечь своих учеников физикой и безмерно радуется, если что-то получается. Несколько раз порывался сменить профессию и – главное достижение – не смог. Его все еще удивляет падение камешков на землю и увлекает процесс передачи знаний. Ощущает себя при этом центром парообразования.

.