При какой температуре кипит вода? При ста градусах Цельсия?
Если дистиллированную воду налить в очень чистую пробирку и медленно подогреть, то она будет оставаться спокойной вплоть до 140 °C, а потом… нет, не закипит, а буквально взорвется. Но давайте обо всем по порядку.
Итак, почему вдруг вода не закипела при 100 °C? Вообще-то на температуру кипения влияет давление. Например, при давлении 0,11 ат вода может кипеть при обычной комнатной температуре, а при давлении 100 ат температура кипения поднимется до 350 °C. Но в нашем примере давление обычное, атмосферное.
Если точнее, пример этот не наш. Такой эксперимент поставил в свое время известный немецкий физик Вихард Поль. В его описании он особо подчеркивал, что пробирка должна быть промыта хромпиком (смесью хромовой и серной кислоты). В «грязной», то есть промытой обычным способом, пробирке никакого эффекта кипения не получается.
Быть может, все дело в каких-то химических примесях, которые мы удалили со стенок пробирки при помощи хромпика? Отнюдь нет. Промойте хромпиком осколки стекла или фарфора, а потом бросьте в химически чистую пробирку. Жидкость закипит при 100 °C.
Дело в том, что кипение начинается не во всей жидкости сразу, а в так называемых центрах парообразования, в роли которых выступают пылинки и известковые кристаллики на стенках пробирки, даже если она чисто вымыта обычным способом. В химически чистой пробирке также образуются ядра парообразования, их роль выполняют микроскопические бугорки на поверхности чистого стекла. Но они гладкие, и для разрыва связей между молекулами воды — именно потому вода начинает кипеть — их нужно предварительно раскачать при помощи нагрева.
Кипение начинается на стенках, а затем лавинообразно распространяется на всю массу воды. Только из-за более высокой первоначальной температуры происходит оно взрывоподобно.
Опыт В.Поля видоизменил американский физик Дэвидсон. Он придумал сосуд с… жидкими стенками. Не думайте, что это продукт сверхвысоких технологий. Ничего, кроме остроумия, здесь не понадобилось. Повторить опыт сможете и вы.
Дэвидсон попросту налил в пробирку чистое оливковое масло и ввел в нее при помощи пипетки капельку воды. Диаметр капельки был очень мал, около 1 мм. Казалось бы, вода плотнее масла и капля должна опуститься на дно сосуда. Так оно и происходит. Только капли такого размера опускаются очень медленно, и этого времени хватает на то, чтобы успеть поставить эксперимент. А заключался он в том, что масло подогревали до тех пор, пока капля не закипала. Происходило это при 250 °C! Разумеется, процесс шел взрывоподобно.
Что здесь выполняло роль ядер парообразования, так пока и неизвестно. Сам Дэвидсон полагал, что причина заключена в хаосе теплового движения. Обычно он для нас усредняется, поскольку мы живем в макромире. Например, теоретически можно задохнуться из-за того, что в результате теплового движения весь воздух в комнате соберется в одном углу. Но риск невелик, такое, согласно подсчетам, может случиться лишь раз в 1070лет… В малых объемах жидкости или газа хаос теплового движения проявляет себя иначе. Так, например, в объеме воздуха равном 1 мм3 давление меняется на 10 % каждый час.
В крохотной капельке воды для образования разрыва, приводящего к возникновению ядра парообразования, достаточно лишь ничтожного повышения давления. Оно-то и наступает при достаточном повышении температуры. (Нечто подобное мы наблюдаем в масле, налитом на мокрую сковородку.)
Опыт можно поставить в демонстрационном варианте с проекцией на экран при помощи школьного универсального проектора и жаростойкой металлостеклянной коробки, применяемой в опыте для демонстрации критической точки.
Стекла из нее удалите, а на дно поставьте небольшую жестяную коробочку. В нее на проволочных распорках поставьте пробирку с маслом. Оно должно быть чистым и прозрачным. Коробку установите затем на проекционный столик, допускающий нагревание при помощи обычной школьной газовой горелки. После этого включите лампу проектора, и вы увидите четкое изображение пробирки на экране.
Далее начинается самое сложное. Нужно при помощи самой тонкой иглы ввести шприцем в масло, налитое в пробирку, крохотную каплю воды. (Работа упрощается, если кончик иглы слегка расплющить.) После этого можно зажигать горелку.
Вначале вогнутая поверхность масла в пробирке разгладится — уменьшится его сила поверхностного натяжения и вязкость. Капля придет в движение и поплывет в сторону и вниз. (Обратите внимание, изображение на экране перевернуто.) Вскоре наступит момент, когда капля вскипит и взорвется. Температуру взрыва можно замерить при помощи термопары, обычно прилагаемой к цифровому авометру.
Опыты по определению максимальной температуры вскипания высокочистой воды имеют чисто научное значение для выяснения природы этой замечательной жидкости. У В.Поля температура кипения была 140 °C, у Дэвидсона — 250 °C. Кто больше?
А. ИЛЬИН
Рисунки автора