Что быстрее вскипятит воду – паровик или чайник?

Привет! Давно в моём блоге не было научно научно-популярных текстов, и вот один из них.

В этой статье я расскажу, как быстро паровик может довести воду до кипения, почему пар 97 °C нагревает жидкость до ещё больших температур и как сразу четыре физических процесса объединяются для того, чтобы не создавать в кофейне очередь.

Как быстро паровик кипятит воду

Многие любят латте и капучино, но мало кто знает, насколько гениальна конструкция паровика, взбивающего молоко. Мы провели эксперимент в кофейне, налили пол-литра воды комнатной температуры в питчер и начали взбивать. Кстати, почему не молока? Во-первых, кипячёное молоко уже не годится для напитков, а горячей водой можно помыть посуду.  Во-вторых, удельная теплоёмкость воды несколько больше, чем у молока (4200 Дж / (кг * ° C) против 3900 Дж / (кг * ° C)), а это дополнительное испытание для паровика!

Смотрим видео с экспериментом.

Как мы видим, паровик доводит воду до кипения примерно за 1 минуту, при дальнейшем взбивании температура останавливается на 100 °C, так как лишняя энергия уходит на кипячение.

Дальше мы вскипятили в чайнике те же пол-литра воды. Не буду прикладывать сюда это скучное видео, просто поверьте на слово, что это заняло 3 минуты. Получается, паровик оказался эффективнее в 3 раза! Но не спешите выбрасывать свой чайник, для того чтобы попить дома чай он всё же подходит лучше – его не нужно предварительно прогревать 20 минут. Теперь предлагаю углубиться в суть процессов, происходящих при взбивании.

Физические процессы при нагревании паровиком

Для того чтобы разобраться, совсем кратко расскажу про устройство кофемашины. Внутри находится бойлер – некий бак, который примерно наполовину заполнен водой. Ещё внутри расположен тэн, который нагревает воду, вследствие чего в верхней части бойлера образуется пар и нагнетается повышенное давление. При этом вода и пар в кофемашине поддерживаются при температуре 95-97 °C за счёт постоянного включения и выключения тэна.

В тот момент, когда мы открываем кран паровика, пар под действием давления устремляется по тонкой трубке. Почему же он так хорошо нагревает содержимое питчера? Мы имеем дело сразу с 4 физическими процессами, которые работают заодно.

1. Теплопередача. Тут всё просто, пар имеет большую температуру, чем вода в питчере, в результате чего просто передаёт свою внутреннюю энергию. Как раз в чайнике только этот процесс и участвует в нагреве. И как видим не слишком эффективно.

2. Изотермический процесс. Проходя через узкое сечение трубки, пар находится под давлением около 7 атмосфер. Попадая в питчер с нормальным атмосферным давлением пар резко расширяется и выделяет некоторое количество теплоты.

3. Вязкость. При взбивании жидкости в питчере создаётся воронка, вследствие чего потоки этой жидкости движутся относительно друг друга, вызывая внутреннее трение между молекулами вещества. Этот процесс также идёт с выделением тепла.

4. Конденсация. Это процесс перехода пара из газообразного состояния в жидкое и это вишенка на торте. То есть в питчере.

Конденсация – один из самых энергоэффективных процессов при общей его доступности. Чтобы убедить вас, я приведу пример.

Возьмём 1 литр воды с температурой 0 °C. При полном её замерзании выделится 340 кДж энергии.

Теперь возьмём воду с температурой 100 °C и посмотрим, сколько выделится энергии при остывании до 80 °C. После подсчётов получим значение в 840 кДж. Насколько это много?

А вот при превращении 1 кг пара в воду мы получаем целых 2300 кДж энергии! Этот процесс настолько энергоэффективен, что с его помощью мы можем нагревать жидкости с температурой кипения более 100 °C до куда больших значений, и всё это при помощи пара 95-97 °C.

Вместо заключения

Мы увидели, как сразу четыре физических процесса работаю заодно для того, чтобы очень быстро нагреть молоко и порадовать каждого гостя кофейни. А статья, надеюсь, убережёт многих бариста от того, чтобы совать свои ручонки под открытый паровик и нарушать технику безопасности.

Понравилась статья? Подпишись на группу ВК с анонсами!