Кипяток и мороз

КИПЯТОК

Зависимость времени замерзания 1 ка воды от начальной температуры показана на рисунке красной линии. Слева — при испарении воды в вакуум; справа — при внешнем давлении, равном давлению насыщенного пара над поверхностью переохлажденной воды с температурой минус 10° С.
Пунктирная зеленая кривая показывает зависимость

Перед вам два стакана. Один — с кипятком, а второй — с водой из-под крана. В каком из них вода замерзнет раныше, если выставить стаканы на мороз?

Ответ кажется очевидным: конечно, кипяток будет замерзать долше. Ведь пока горячая вода остынет до температуры холодной, та уже начнет замерзать.

Однако, если выставить зимой на улицу две деревянные лоханы с холодной и горячей водой, то горячая вода замерзнет быстрее холодной. Закроем лоханы крышками — эффектив исчезнет. Нальем воду в металлические бочки — опять ничего необычно не произойдет.

Явление, какушеся на первый взгляд парадоксальным, имеет простое физическое объяснение.

Вода замерзет при 0° С. Сначала она охлаждается до этой температуры, а потом начинается образование льда. Это в равной степени относится как к холодной, так и к горячей воде. Как уже вода охлаждается?

Отвечая на этот вопрос, следует учитывать два процесса: теплобмен с окружающей средой и испарение. Если сосуды сделаны из хорошего изолятора, например, дерева, то теплобмен через стенки затруден и охлаждение происходит в основном за счет испарения с поверхности.

При испарении над поверхностью жидкости образуется область пара, давление которого все время меняется. Если сосуд закрыт, то этот пар довольно быстро становится насыщенным с давлением $P_H$, равным давлению насыщенного пара при данной температуре.

Тогда дальнейшее охлаждение идет почти целиком за счет теплобмена.

Совершенно другие явления происходит в открытом сосуде. Как уже было сказано,

мость времени охлаждения воды от начальной температуры до 0°С, а пунктирная желтая кривая показывает, сколько нужно времени для замерзания оставшейся восуде воды после охлаждения до 0°С. За единицу времени приято время, в течение которого замерзает вода, имеющая начальную температуру 0°С и помещенная в вакуум.

И МОРОЗ

жидкость испаряется до установленная равновесия с паром, то есть пока давление над поверхностью жидкости не станет равным $P_H$. Давление же насыщенного пара $P_H$ зависит от температуры и увеличивается с ростом последней. Поэтому над горячей жидкостью давление пара зачитело меньше, чем $P_H$, и она благодаря интенсивному испарению быстро охлаждается. При испарении масса воды, естественно, все время уменшается, и поэтому, когда температура станет равной 0°С, в «горячем» сосуде воды оставется горячдо меньше, чем в «холодном». Дальнейшее охлаждение жидкости и в том и в другом сосудах будет проинсходить в одинаковых условиях. А посольку в «горячем» сосуде воды осталось меньше, то она и замерзнет равше. Явление, о котором расскаZAно, исследовал канадский физик Келл. Он взял два термоса с широким горлом и наилл в каждый из них 1550 грамм воды, причем в одном термосе температура воды была $t_1=88°С$, а во втором $t_2=56°С$.

Термосы были выставлены на улицу при температуре воздуха минус 6,5°С. Когда $t_1$ стала равной 39°С, в «горячем» термосе осталось всего 1430 грамм воды, и в конце концов она замерзла равше, чем вода в «холодном» термосе.

Оказалось, что за время остывания от 100°С до 0°С вода теряет 16% своего массы, а при замерзании — еще 12%, то есть льда получается на 28% меньше, чем первоначально было наилтого воды. Было также выясено, что от температуры кипения до 50° вода остывает примерно в 9 раз быстрее, чем от 50° до 0°. Таким образом, при определенных условиях, когда затруднен теплообмен с окружающей средой, а свободная поверхность жидкости достичено влика, кипяток замерзнет быстрее, чем вода из-под крана.