Vizuāls termiskā procesa attēlojums, kas izskaidro, kā un kāpēc sāls paātrina dzēriena atdzesēšanu dažu minūšu laikā.
Satura rādītājs
Silts alus vasarā ir sava veida sezonas traģēdija. Bet visinteresantākais ir tas, ka risinājums nav balstīts uz sarežģītām tehnoloģijām, bet gan uz fizikas principiem, kas ir tikpat vienkārši, cik spēcīgi . Viss, kas nepieciešams, ir ledus, ūdens, sāls… un nedaudz zinātnes. Šajā rakstā mēs izskaidrosim, izmantojot stingru, bet pieejamu pieeju, kāpēc šī pudele sasniedz ideālo temperatūru tikai dažu minūšu laikā. Atbilde slēpjas fāžu pārejā un ļoti vienkāršā grafikā.
Šī tēma jau tika apskatīta iepriekšējā rakstā, kurā soli pa solim tika izskaidrots, kā ātri atdzesēt alu ar ledu, ūdeni un sāli, un tika piedāvātas praktiskas instrukcijas, kā to izmantot ikdienas situācijās. Tomēr mērķis šeit nav atkārtot šo saturu, bet gan iet soli tālāk: precīzāk izprast, kāpēc tas darbojas. Koncentrēsimies uz fizikālo mehānismu, kas to padara iespējamu — fāžu pāreju un siltuma pārnesi — un uz to, kā vienkāršs grafisks attēlojums var palīdzēt mums skaidri un tieši vizualizēt visu procesu.
Aukstās pudeles fizika: ledus patiesībā “sasilst”
Kad mēs istabas temperatūrā ievietojam pudeli ūdens, ledus un sāls maisījumā, tiek aktivizēts ļoti efektīvs enerģijas pārneses mehānisms. Galvenais varonis ir ledus, kas, kūstot, absorbē siltumu: tas ir pazīstams kā slēptā kušanas siltuma. Interesanti, ka šī procesa laikā ledus temperatūra nepaaugstinās. Visa absorbētā enerģija tiek izmantota tikai ledus kristālu struktūru iznīcināšanai, lai to pārvērstu šķidrā ūdenī.
Siltums, kas nepieciešams ledus kausēšanai, neparādās no nekā. Tas nāk no tiešās vides, proti, no apkārtējā ūdens un alus pudelēm. Praksē ledus “zog” siltumu no alus, liekot tā temperatūrai strauji pazemināties.
Kūstot, ledus temperatūra nepaaugstinās, bet tas absorbē ievērojamu daudzumu enerģijas. Šis grafiks parāda, ka, pievienojot siltumu, sistēma paliek 0 °C temperatūrā, bet ledus pārvēršas šķidrā ūdenī. Šī enerģija, kas pazīstama kā slēptā kušanas siltuma, tiek pilnībā ieguldīta cietā ķermeņa struktūras iznīcināšanā, nepaaugstinot temperatūru. Tas ir uzskatāms piemērs tam, kā fāzes pāreja prasa enerģiju, pat ja tā nav redzama termometrā. Avots: Vikipēdija
Sāls loma: sasalšanas punkta regulēšana
Sāls pievienošana maisījumam maina otro fundamentālo fizikālo parādību: krioskopisko lejupslīdi . Sāls pievienošana pazemina ūdens sasalšanas punktu zem 0 °C. Tas liek sistēmai sasniegt zemākas temperatūras, pirms ledus pārstāj kust. Dažos gadījumos maisījums var stabilizēties pie temperatūras apmēram –10 °C.Tas palielina temperatūras starpību starp alu un vidi, kurā tas ir iegremdēts, liekot siltumam vēl ātrāk izkļūt no pudeles ārā.
(Kvalitatīvs) grafiks, kas visu izskaidro
Ja mēs izveidotu grafiku, kas attēlo sistēmas temperatūru kā funkciju no laika, mēs novērotu sākotnēju mērenu kritumu, kad ledus tiek ievadīts ūdenī. Bet, pievienojot sāli, atdzišana turpinās zem 0 °C, pretēji tam, ko mums liek domāt intuīcija. Grafiks parādītu, kā temperatūra pāriet no pakāpeniska atdzesēšanās, kas, šķiet, apstājas pie 0 °C, uz nepārtrauktu atdzesēšanos, tieši tad, kad sistēma nonāk temperatūras diapazonā zem nulles.
Šī slīpuma izmaiņa atspoguļo sistēmas siltuma efektivitāti: jo lielāks temperatūras gradients starp alu un tā apkārtējo vidi, jo lielāks siltuma pārneses ātrums. Un ja apkārtējā vide ir zemāka par ūdens sasalšanas punktu, efekts kļūst vēl dramatiskāks.
Ūdens kā siltuma vadītājs
Cits svarīgs faktors šajā procesā ir ūdens. Lai gan tas var šķist mazāk dzesējošs nekā ledus, tā klātbūtne ir nepieciešama . Ūdens, būdams šķidrums, ideāli pielāgojas pudeles formai, aizpildot visas spraugas . Tas nodrošina pastāvīgu un vienmērīgu kontaktu starp aukstu vidi un pudeles virsmu, maksimizējot siltuma pārnesi ar siltuma vadītspēju.
Šo efektu vēl vairāk pastiprina, ja izmanto sasmalcinātu ledu , jo tā lielā saskares virsma nodrošina efektīvāku siltuma pārnesi. Katrs mazs ledus gabaliņš darbojas kā siltuma absorbcijas kanāls, kas ir daudz efektīvāks nekā lielie kubiņi, kuri atstāj tukšas telpas starp pudelēm.
Tātad… kas ir šī līkne?: aukstuma plato!
Tā parāda, ka ledus, sasilstot, nemaina temperatūru uzreiz, bet paliek 0 °C, kamēr kūst. Šī horizontālā līnija, šī pauze temperatūras pazemināšanās, ir atslēga: pat ja apkārtējā vide turpina atdzist, ledum ir nepieciešams uzsūkt enerģiju, lai izjauktu savu cieto struktūru un pārvērstos ūdenī. Līkne ne tikai parāda pazemināšanos: tā parāda pārveidošanos. Un procesa pamatā ir šis plato .
