Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Чтобы молекула покинула жидкость, ей нужно преодолеть силу притяжения со стороны других молекул. Это процесс испарения, он происходит в момент, когда какая-то молекула приобретает энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости и самостоятельно подняться в воздух. Моя влажная одежда была насквозь пропитана водой, молекулы которой медленно двигались туда-сюда, не обладая соответствующей энергией.

В течение трех дней, проведенных в Индии в сезон дождей, я перепробовала самые разные способы сушки одежды. Вообще говоря, это требует создания таких условий, при которых молекулы воды, содержащейся в порах одежды, приобретут достаточно энергии, чтобы вырваться из жидкости и переместиться в какое-то другое место. В короткие промежутки жаркой солнечной погоды вода, находящаяся в порах одежды, вбирала в себя солнечную энергию и молекулы воды мало-помалу испарялись. Но когда небо застилали облака, я чувствовала, что проигрываю сражение. Проблема заключалась в том, что окружающий воздух был до предела насыщен парами воды. Ветер, дующий с океана в сторону берега, также был очень влажным. Когда солнце светило на океанскую воду, ее поверхностный слой прогревался. Молекулы воды в океане также постоянно соударяются друг с другом, и чем сильнее прогревается вода, тем быстрее, в среднем, они движутся. Когда поверхность океана хорошо прогрелась, значительное число молекул приобрело энергию, позволяющую вырваться в окружающий воздух. Оказавшись в воздухе, эти молекулы перешли из жидкого состояния в газообразное. Таким образом, теплый влажный воздух, который поступал на берег, уже был насыщен молекулами воды. Теперь они соударялись с другими молекулами в воздухе.

Когда я промокала под дождем, тепло, исходящее от моего тела, нагревало одежду, придавая части молекул воды, которые я носила на себе, энергию, позволяющую вырваться в воздух. Этот процесс несколько подсушивал одежду. Однако в окружающем воздухе было так много молекул воды, что они, сталкиваясь с моей одеждой, прилипали к ней и соединялись с влагой, которой оставалось еще очень много в порах одежды. В результате моя одежда впитывала дополнительную влагу и не желала высыхать потому, что количество молекул воды, испарившихся с одежды в окружающий воздух, в точности уравновешивалось количеством молекул воды, которые конденсировались на ней из воздуха. Вот что, в сущности, означает 100 %-ная влажность: каждая испарившаяся молекула тотчас же замещается молекулой, конденсировавшейся из окружающего воздуха. Если влажность меньше 100 %, жидкость покинет большее число молекул, чем поступит в нее. Чем больше эта разница, тем быстрее сохнет одежда.

Ночью ситуация ухудшается. Когда воздух охлаждается, движение молекул замедляется, причем до такой степени, что они не желают испаряться, и моя одежда становится еще более влажной. Точка, при которой количество конденсирующихся молекул превышает количество испаряющихся молекул, называется точкой росы, или температурой конденсации, а образующиеся при этом капли жидкости – росой. Отдельные молекулы все же обладают достаточной энергией, чтобы покинуть жидкость и присоединиться к газу. Но их число незначительно по сравнению с молекулами, у которых такой энергии мало. Если бы я могла нагреть свою одежду, я бы увеличила количество испаряющихся молекул. Возможно, этого оказалось бы достаточно, чтобы их число превысило число конденсирующихся, и моя одежда подсохла. Но как бы то ни было, пока мы находились в Индии, мне приходилось все время ходить во влажной одежде.

Дело в том, что рассмотренный нами процесс представляет собой непрекращающийся обмен. Такой статистический способ исследования множества молекул очень важен для нас, поскольку молекулы ведут себя по-разному. В один и тот же момент и в одном и том же месте какие-то молекулы будут испаряться, а какие-то – конденсироваться. То, что мы наблюдаем, зависит лишь от баланса между этими двумя действиями.

Подчас весьма кстати, что каждая молекула в совокупности молекул ведет себя не так, как остальные. Например, когда испаряется пот, в воздух улетучиваются лишь молекулы, обладающие наибольшей энергией. В результате средняя скорость движения оставшихся молекул снижается. Именно поэтому, когда человек потеет, его тело охлаждается: испарившиеся молекулы уносят с собой значительную энергию.

Вообще говоря, одежда сохнет довольно медленно. Время от времени особенно энергичные молекулы воды, оказавшись на ее поверхности, находят в себе силы улетучиться, в результате чего количество жидкости уменьшается. Однако этот процесс не всегда нежелателен для нас. Напротив, интенсивное испарение порой чрезвычайно полезно, особенно при приготовлении пищи. Оказывается, жарка пищи возможна лишь благодаря воде.

Мое любимое жареное блюдо – кипрский сыр халуми, который я всегда считала неким «вегетарианским ответом» бекону. Все начинается с нагревания масла в глубокой сковородке; тем временем я нарезаю сыр полосками. Масло неслышно прогревается примерно до 180 ℃ – именно неслышно, потому что я ни за что не знала бы, что с ним происходит, если бы от него не исходило тепло. Но как только я опускаю в масло первые полоски сыра, тишина нарушается громким треском и шипением. При соприкосновении с горячим маслом поверхностный слой сыра буквально за какую-то долю секунды прогревается почти до температуры масла. Молекулы воды на поверхности сыра внезапно приобретают изрядную порцию дополнительной энергии – гораздо большую, чем та, которая им нужна, чтобы вырваться из жидкости и улетучиться в воздух. Поэтому они взрывообразно разлетаются в стороны друг от друга, порождая целую серию мини-взрывов газа по мере высвобождения из жидкости. Именно эти пузырьки газа я наблюдаю на поверхности сыра и именно они являются источником шума. Однако эти пузырьки играют важную роль. Пока газообразная вода устремляется из сыра наружу, масло не может проникнуть в сыр. Оно едва касается его поверхности, и этого достаточно лишь для того, чтобы передать энергию нагрева. Вот почему жарка пищи при слишком низкой температуре делает ее жирной и влажной: пузырьки образуются недостаточно быстро, чтобы преградить доступ масла. В ходе приготовления сыра какая-то часть тепла передается в его основную массу, прогревая его. Наружные слои сыра отдают много воды, поскольку они слишком горячие, чтобы вода могла в них оставаться. В результате наружные слои сыра покрываются хрустящей корочкой – они мгновенно высыхают, практически полностью избавляясь от влаги. Потемнение наружных слоев – следствие химических реакций, происходящих при прогревании белков и сахаров, содержащихся в сыре. Но суть поджаривания заключается во внезапном переходе воды из жидкого состояния в газообразное. А жарка пищи обязательно сопровождается громким шипением, его не избежать, если она выполняется правильно.

⁂

Переход из газообразного состояния в жидкое и обратно – обыденное явление нашей жизни. Однако переходы из жидкого состояния в твердое и обратно мы наблюдаем намного реже. У большинства металлов и пластмасс плавление происходит при гораздо более высоких температурах, чем комнатная. У молекул меньшего размера, например кислород, метан и спирт, плавление осуществляется при чрезвычайно низких температурах, требующих применения специализированных морозильных камер. Вода – необычная молекула, поскольку она и плавится, и испаряется при самых привычных для нас температурах. Но картина замерзшей воды чаще всего ассоциируется у нас с Северным и Южным полюсами Земли. Это очень холодные края, которые мы преимущественно соотносим с белым цветом, вечным безмолвием и великими полярными экспедициями XX столетия, которые приводили людей в самые негостеприимные места планеты. Замерзающая вода доставляла этим людям немало проблем. Но иногда подсказывала весьма нестандартные решения.