Фізичне пояснення експерименту із гарячою водою

Минула зима виявилася на території України доволі морозною, оскільки температура повітря часто знижувалася до -20...-25 °С у деяких областях протягом тривалого періоду часу. І ймовірно, багато хто з Вас бачив фотографії та відеоролики простого домашнього фізичного експерименту, коли дуже гарячу воду виплескують з чашки або тарілки на такому морозі, і на землю вона падає вже у вигляді маленьких крижинок. Паралельно з цим утворюється щільна хмара пари, як показано на відео нижче. Можливо, Ви навіть самі робили такий фокус, але чи замислювалися Ви про те, чому так відбувається?

В цьому випадку працюють відразу два фізичні механізми, і обидва вони зводяться до проявів так званого закону квадрата-куба. Ключова ідея полягає в тому, що при такому вихлюпуванні води ми дробимо її на безліч дуже маленьких крапельок. Площа поверхні краплі пропорційна квадрату її радіусу, тоді як об'єм – кубу радіусу, а отже, відношення площі до об'єму зворотно пропорційно радіусу краплі. Звідси випливає, що якщо ми роздробимо воду на безліч дрібних крапельок того ж сумарного об’єму, то загальна (інтегральна) площа поверхні таких крапельок суттєво збільшиться.

З цієї причини відбуваються одразу дві речі. По-перше, вода стане значно швидше випаровуватися. Дійсно, випаровування – це пароутворення з усієї поверхні рідини, і чим більша площа поверхні, тим інтенсивніше вона випаровується: і ми дійсно бачимо, як воду, яка виплеснута із чашки, буквально огортає хмару пари, немов туман. Ну а випаровування, як відомо з курсу шкільної фізики, призводить до охолодження рідини. І чим інтенсивніше вона випаровується, тим сильніше охолоджується.

У свою чергу, випаровування веде не тільки до охолодження крапель, але й до зменшення їхньої маси – причому чим гарячішою буде вода, тим більше вона зменшиться. А чим менша маса краплі, то швидше вона замерзне. Дійсно, кількість теплоти, яку має віддати крапля для того, щоб замерзнути, пропорційна її масі, тобто об’єму. А ось швидкість охолодження, тобто відведення теплоти у навколишнє середовище, пропорційна площі поверхні, або квадрату радіусу. Таким чином, чим менше за розміром крапля, тим вище буде відносна швидкість її охолодження, і тим швидше вона замерзне. Поєднання обох цих явищ і змушує виплеснуту на морозі гарячу воду замерзати нальоту, а решта води практично миттєво переходить із рідкого стану в газоподібний.