Тряхнём баллоном!
Кандидат физико-математических наук Леонид Ашкинази
Почему, если встряхнуть аэрозольный баллон с пеной для бритья, его стенки на мгновение холодеют?
Первая гипотеза — дело просто в том, что жидкость в баллоне холоднее руки (даже в ванной комнате, где мы, как правило, бреемся, температура обычно бывает ниже температуры рук), и, когда эта жидкость омывает стенку напротив руки, стенка охлаждается, кожа это чувствует. Гипотеза проверяется так: берёмся за баллон выше уровня жидкости, ближе к его носику. Быстро, но не встряхивая, переворачиваем баллон. И всё равно рука ощущает холод. Но эффект слабее, чем при встряхивании, то есть похоже, что при встряхивании происходит какой-то процесс, который потребляет часть тепловой энергии, передающейся от руки. На роль такого процесса есть три претендента.
Самое очевидное — газ, имеющийся в баллончике, при встряхивании расширяется, при этом он обязан охлаждаться. Однако теплоёмкость газа на несколько порядков меньше теплоёмкости того же газа в виде жидкости, поэтому жидкую фазу он не охладит, это она при смешивании не даст ему остыть; в целом эффект не будет превосходить десятых долей градуса. Следующий претендент — фазовый переход из жидкого состояния в газообразное с потреблением тепла, то есть испарение. Но в баллончике над поверхностью жидкости находится насыщенный пар этой самой жидкости, поэтому дополнительного испарения быть не может. Отметаем и эту гипотезу. Последний претендент — увеличение поверхности жидкости при превращении её в мелкие капельки, на это тоже потребляется энергия. Но простой расчёт на уровне школьного учебника показывает, что речь идёт о тысячных долях градуса. Караул? Нет, нормальная для физики ситуация, означающая, что к какому-то месту наших рассуждений надо присмотреться внимательнее.
Посмотрим пристально на испарение и увидим два процесса — испарение и конденсацию; в установившемся состоянии их скорости равны, и мы говорим — насыщенный пар, испарения нет. На самом деле в этой ситуации испарение есть, но его полностью компенсирует конденсация, и тепло, израсходованное на испарение, при конденсации возвращается. При этом испарение зависит только от рода жидкости, площади её поверхности и температуры, а конденсация — ещё и от концентрации вещества в паре (собственно, этим равновесием концентрация и определяется). Когда мы встряхиваем баллон, то есть резко увеличиваем площадь поверхности, то увеличиваем скорость испарения и потребление тепла на этот процесс. А конденсация с возвратом тепла откладывается — концентрация пара ведь только начала расти.
Видимо, этим и определяется падение температуры стенок. Кроме, разумеется, простого охлаждения стенок жидкостью, с которого мы начали.
Фото предоставил автор.
Читайте в любое время
