Номер 22.7, страница 160 - гдз по физике 10-11 класс задачник Гельфгат, Генденштейн

22. Изменения агрегатных состояний вещества. Жидкости, пары и твердые тела - номер 22.7, страница 160.

Условие.

22.7. Почему незадолго до закипания чайника мы слышим характерный шум? Почему перед самым закипанием он стихает?

Решение. Вода в чайнике получает тепло от нагретого пламенем дна чайника или от электронагревателя, расположенного у дна. Слои воды у дна нагреваются до температуры кипения раньше остальных, поэтому у дна возникают пузырьки, наполненные водяным паром. Пузырьки всплывают и попадают в более холодные слои воды. В результате охлаждения пар конденсируется и пузырьки «захлопываются». Происходит это так быстро, что стенки пузырьков ударяются друг о друга с резким щелканием. Множество таких крошечных «схлопываний» и создает характерный шум. Перед самым закипанием верхние слои воды уже имеют температуру, близкую к температуре кипения, и поэтому «захлопывания» пузырьков не происходит. А после закипания мы слышим бульканье пузырьков, лопающихся на поверхности воды.

Решение.

Почему незадолго до закипания чайника мы слышим характерный шум?

Вода в чайнике нагревается от источника тепла (например, конфорки плиты или ТЭНа в электрочайнике), расположенного на дне. Из-за этого нижние слои воды достигают температуры кипения ($100 \text{°C}$ при нормальном атмосферном давлении) значительно раньше, чем верхние. В этих придонных, перегретых слоях начинают формироваться пузырьки, заполненные водяным паром.
Эти пузырьки, обладая меньшей плотностью, чем вода, начинают всплывать. Поднимаясь, они попадают в более холодные верхние слои, где температура еще далека от точки кипения. В этой холодной среде пар внутри пузырьков резко конденсируется, то есть превращается обратно в жидкую воду. В результате давление внутри пузырька мгновенно падает, и он схлопывается (коллапсирует). Этот процесс, известный как кавитация, происходит с большой скоростью и создает микровзрыв, порождающий ударную волну в воде. Совокупность множества таких одновременных схлопываний по всему объему воды и создает характерный нарастающий шум, который мы слышим перед закипанием.
Ответ: Шум возникает из-за массового и быстрого схлопывания (коллапса) пузырьков водяного пара, которые образуются у горячего дна и, поднимаясь, попадают в более холодные верхние слои воды, где пар конденсируется.

Почему перед самым закипанием он стихает?

По мере дальнейшего нагрева тепловая энергия распределяется по всему объему чайника благодаря конвекции, и температура верхних слоев воды постепенно повышается, приближаясь к температуре кипения. Когда вся масса воды прогревается до температуры, близкой к $100 \text{°C}$, разница температур между нижними и верхними слоями становится незначительной.
Теперь пузырьки пара, всплывающие со дна, больше не попадают в холодную среду, которая могла бы вызвать их конденсацию и коллапс. Они сохраняют свою целостность, достигают поверхности воды и лопаются, высвобождая пар в атмосферу. Этот процесс производит значительно более тихий и мягкий звук — бульканье, которое мы ассоциируем с кипением. Поскольку основной источник громкого шума — схлопывающиеся пузырьки — исчезает, чайник "затихает" непосредственно перед началом бурного кипения.
Ответ: Шум стихает, потому что вся вода в чайнике прогревается до температуры, близкой к кипению. В результате пузырьки пара перестают схлопываться, не доходя до поверхности, а начинают лопаться уже на ней, что создает более тихий звук бульканья.