Уважні господині не раз помічали, що під час вимикання вогню, над чайником, каструлею або сковородою на кілька миттєвостей відбувається викид пари. Якщо чайник закритий, то його кришка раптово починає підстрибувати. Чому це трапляється? Здавалося б, вогонь вимкнули, вода повинна остигати, а вона ніби навпаки, закипає.
Зрозуміло, що це фізичне явище треба намагатися пояснити за допомогою фізичних законів. У науково-популярних виданнях відповіді на подібні питання є. Ось одне з найбільш частих пояснень. Під час кипіння чайника на відкритому вогні навколо нього утворюється «кокон» гарячого повітря, який не дає пару, що виходить від води, конденсуватися і ставати видимим. Після відключення вогню «кокон» зникає і пар, конденсуючись в холодному навколишньому повітрі, стає видимим. Пояснення логічне. Однак я особисто спостерігала цей ефект і над широкими каструлями, і навіть над сковородою, де «кокон» утворитися не може. Крім того, підстрибування кришки чайника ніяк не можна пояснити теорією «кокона».
Іноді освіту хмаринки пари пояснюють і без гарячого повітряного «кокона». При безперервному кипінні над поверхнею утворюється шар перегрітої пари. Водяна пара невидимий. Шляхом природної конвекції виникає від різкого перепаду температур він може швидко піти вгору і розсіються. Вогонь вимикають. Випаровування зсередини припиняється. Температура над поверхнею знижується і пара починає конденсуватися до видимого стану. Ця теорія, однак, знову ж таки не пояснює помітне підстрибування кришки чайника при виключенні вогню.
Є ще одна версія явища, пояснює закипання води в чайнику після виключення вогню. Над поверхнею води всередині чайника утворюється область підвищеного тиску пара. Тиск підвищує температуру кипіння рідини. При припиненні подачі енергії тиск знижується, і перегріта вода різко закипає. Ця версія не здається правдоподібною, тому що при зниженні тиску кришка не повинна підстрибувати.
Я думаю, що пояснити причину цього цікавого побутового явища можна розглядаючи докладно процес кипіння води. Відомо, що в міру збільшення температури нагрівається поверхні судини, вода проходить кілька стадій кипіння.
Бульбашкова стадія кипіння полягає в тому, що на гарячій поверхні утворюються маленькі бульбашки пара які стрімко ростуть, піднімаються вгору і лопаються. У міру зростання температури поверхні число бульбашок збільшується. Саме на цій стадії кипіння спостерігається найінтенсивніший теплообмін рідини з поверхнею, що нагрівається і саме інтенсивне випаровування води. Це також найгаласливіший етап кипіння чайника.
При подальшому нагріванні бульбашок на дні стає так багато, що відбувається їх злиття і утворення окремих зон пара - це перехідна фаза кипіння. За нею йде найцікавіша фаза - плівкове кипіння. На дні чайника або сковороди утворюється шар пара. Ми можемо спостерігати вже не рух бульбашок, а нуртування водяного потоку. Чайник перестає шуміти. Теплопередача між поверхнею, що нагрівається і водою різко падає через низьку теплопровідність пара. Дно може перегріється на десять градусів і більше. Бульбашок немає, і випаровування слабшає.
Говорячи про плівковому кипінні, дуже часто згадують ефект Лейденфроста (Johann Gottlob Leidenfrost). Лейденфрост в «Трактаті про деякі властивості звичайної води» в 1756 році описав явище, при якому рідина в контакті з тілом значно більш гарячим, ніж точка кипіння цієї рідини, створює ізоляційний шар пара, який оберігає рідину від швидкого википання. У побуті ефект можна спостерігати, капая на сковороду в міру її нагрівання. Після досягнення 100 градусів краплі будуть випаровуватися з шипінням і дуже швидко. Далі, після того як температура проходить точку Лейденфроста, краплі при контакті зі сковородою збираються в маленькі кульки і переміщаються по ній - вода знаходиться в сковороді значно довше, ніж при більш низьких температурах. Основна причина - при температурах вище точки Лейденфроста нижня частина краплі миттєво випаровується при контакті з гарячою поверхнею. Добутий пар підтримує решту краплі над нею, запобігаючи подальше пряме зіткнення між рідкою водою і гарячою поверхнею. Так як теплопровідність пара значно нижче, теплообмін між краплею і сковородою сповільнюється, це дозволяє краплі «їздити» по сковороді на шарі газу під нею.
Що відбувається, коли ми різко знижуємо тепловий потік (вимикаємо газ)? Температура опускається нижче точки Лейденфроста. Плівкове кипіння переходить на час в бульбашкової! Спостерігається закипання рідини.
Цікаво те, що ефект, який можна пояснити, спираючись на роботи фізиків 18 століття, зараз в більшості випадків знаходить неправильне тлумачення в популярних підручниках.