Физическая объяснение эксперимента с горячей водой

Минувшая зима оказалась на территории Украины достаточно морозной, поскольку температура воздуха опускалась до -20…-25 °С в некоторых областях в течение продолжительного периода времени. И вероятно, многие из Вас видели фотографии и видеоролики простого домашнего физического эксперимента, когда очень горячую воду выплёскивают из чашки или тарелки на таком морозе, и на землю она падает уже в виде маленьких льдинок. Параллельно с этим, образуется плотное облако пара, как показано на видео ниже. Может быть, Вы даже сами проделывали такой фокус, но задумывались ли Вы о том, почему так происходит?

В этом случае работают сразу два физических механизма, и оба они сводятся к проявлениям так называемого закона квадрата-куба. Ключевая идея заключается в том, что при таком выплёскивании воды мы дробим её на множество мелких капелек. Площадь поверхности капли пропорциональна квадрату её радиуса, тогда как объём – кубу радиуса, а значит, отношение площади к объёму обратно пропорционально радиусу капли. Отсюда следует, что если мы раздробим воду на множество мелких капелек того же суммарного объёма, то суммарная площадь поверхности таких капелек очень сильно увеличится.

По этой причине происходят сразу две вещи. Во-первых, вода станет существенно быстрее испаряться. Действительно, испарение – это парообразование со всей поверхности жидкости, и чем больше площадь поверхности, тем интенсивнее она испаряется: и мы действительно видим, как выплеснутую из сосуда воду буквально окутывает облако пара. Ну а испарение, как известно из курса школьной физики, приводит к охлаждению жидкости. И чем интенсивнее она испаряется, тем сильнее охлаждается.

В свою очередь, испарение ведёт не только к охлаждению капель, но и к уменьшению их массы – причём чем горячее будет вода, тем сильнее она уменьшится. А чем меньше масса капли, тем быстрее она замёрзнет. Действительно, количество теплоты, которое должна отдать капля для того, чтобы замёрзнуть, пропорциональна её массе, то есть, объёму. А вот скорость охлаждения, то есть, отвода теплоты в окружающую среду, пропорциональна площади поверхности, или квадрату радиуса. Таким образом, чем меньше капля, тем выше будет относительная скорость её охлаждения, и тем быстрее она замёрзнет. Сочетание обоих этих явлений и заставляет выплеснутую на морозе горячую воду замерзать налету, а остальная часть воды практически мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.