Кипяток и мороз

NƯỚC SÔI

Sự phụ thuộc của thời gian đóng băng 1 ca nước vào nhiệt độ ban đầu được thể hiện trên hình bằng đường màu đỏ. Bên trái — khi nước bay hơi trong chân không; bên phải — khi áp suất bên ngoài bằng áp suất của hơi bão hòa trên bề mặt nước quá lạnh có nhiệt độ âm 10° C.
Đường cong màu xanh lá cây nét đứt biểu thị sự phụ thuộc

Trước mặt bạn có hai chiếc cốc. Một chiếc chứa nước sôi, chiếc kia chứa nước máy. Nếu đặt các cốc ra ngoài trời lạnh, nước trong chiếc nào sẽ đóng băng trước?

Câu trả lời có vẻ hiển nhiên: tất nhiên nước sôi sẽ đóng băng lâu hơn. Bởi vì trong khi nước nóng nguội xuống đến nhiệt độ của nước lạnh, nước lạnh đã bắt đầu đóng băng.

Tuy nhiên, nếu vào mùa đông đặt ngoài trời hai bồn gỗ chứa nước lạnh và nước nóng, thì nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Đậy nắp các bồn lại — hiệu ứng biến mất. Đổ nước vào các thùng kim loại — lại không có gì bất thường xảy ra.

Hiện tượng thoạt nhìn có vẻ nghịch lý này có một cách giải thích vật lý đơn giản.

Nước sẽ đóng băng ở 0° С. Ban đầu nó nguội xuống đến nhiệt độ này, sau đó quá trình hình thành băng bắt đầu. Điều này đúng như nhau đối với cả nước lạnh lẫn nước nóng. Nước nguội đi như thế nào?

Khi trả lời câu hỏi này, cần tính đến hai quá trình: trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh và sự bay hơi. Nếu các bình được làm bằng chất cách nhiệt tốt, ví dụ như gỗ, thì sự trao đổi nhiệt qua thành bình bị cản trở và sự làm lạnh chủ yếu xảy ra do sự bay hơi từ bề mặt.

Khi bay hơi, phía trên bề mặt chất lỏng hình thành một vùng hơi, áp suất của nó luôn thay đổi. Nếu bình được đậy kín, thì hơi này khá nhanh trở nên bão hòa với áp suất $P_H$, bằng áp suất của hơi bão hòa ở nhiệt độ đã cho.

Khi đó sự làm lạnh tiếp theo hầu như hoàn toàn do trao đổi nhiệt.

Những hiện tượng hoàn toàn khác xảy ra trong bình mở. Như đã nói,

sự phụ thuộc của thời gian làm lạnh nước từ nhiệt độ ban đầu đến 0°С, còn đường cong màu vàng nét đứt biểu thị thời gian cần thiết để đóng băng lượng nước còn lại trong bình sau khi đã làm lạnh đến 0°С. Đơn vị thời gian được lấy là thời gian trong đó nước có nhiệt độ ban đầu 0°С và được đặt trong chân không đóng băng.

VÀ SƯƠNG GIÁ

chất lỏng bay hơi cho đến khi thiết lập cân bằng với hơi, nghĩa là cho đến khi áp suất phía trên bề mặt chất lỏng trở nên bằng $P_H$. Áp suất của hơi bão hòa $P_H$ phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng khi nhiệt độ tăng. Vì vậy, phía trên chất lỏng nóng áp suất hơi thấp hơn đáng kể so với $P_H$, và nhờ sự bay hơi mạnh, nó nhanh chóng nguội đi. Khi bay hơi, khối lượng nước đương nhiên liên tục giảm, và vì vậy, khi nhiệt độ trở thành 0°С, trong bình «nóng» còn lại ít nước hơn nhiều so với trong bình «lạnh». Sự làm lạnh tiếp theo của chất lỏng trong cả hai bình sẽ diễn ra trong những điều kiện giống nhau. Và vì trong bình «nóng» còn lại ít nước hơn, nên nó sẽ đóng băng trước. Hiện tượng được kể ở trên được nhà vật lý người Canada Kêll nghiên cứu. Ông lấy hai bình giữ nhiệt có cổ rộng và đổ vào mỗi bình 1550 gam nước, trong đó ở một bình nhiệt độ nước là $t_1=88°С$, còn ở bình thứ hai là $t_2=56°С$.

Các bình giữ nhiệt được đặt ngoài trời ở nhiệt độ không khí âm 6,5°С. Khi $t_1$ trở thành 39°С, trong bình giữ nhiệt «nóng» chỉ còn lại 1430 gam nước, và cuối cùng nó đóng băng trước nước trong bình giữ nhiệt «lạnh».

Оказалось, что за время остывания от 100°С до 0°С вода теряет 16% своей массы, а при замерзании — еще 12%, то есть льда получается на 28% меньше, чем первоначально было налитой воды. Было также выяснено, 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 достаточно велика, кипяток замерзнет быстрее, чем вода из-под крана.