ph-01-8069788

Дело в том, что температура какого-либо вещества — это, по сути, мера беспорядочности и интенсивности движения его молекул. Создать беспорядок легко, а вот упорядочить что-либо — сложно. Именно поэтому нагреть предмет гораздо проще, чем охладить. Стоит только добавить телу немного энергии (в данном случае речь идет о так называемой внутренней энергии вещества) — и его температура вырастет. Самый простой для нас способ достичь этого — пропустить через тело электрический ток.

А вот отобрать эту внутреннюю энергию гораздо сложнее. Физика запрещает делать это напрямую, путем передачи энергии куда-то еще (иначе холодильник мог бы сам производить электричество, а не потреблять его). Чтобы охладить тело, то есть упорядочить его молекулы, нужно другое тело с еще более упорядоченными молекулами. Иными словами — более холодное. Но где ж мы его возьмем?

ph-1-9303927

К счастью, у газов есть одно хорошее свойство, которое носит название объединенный газовый закон: давление, температура и объем газа определенным образом зависят друг от друга. Так, если при повышении давления не меняется объем, то температура растет. И наоборот, она будет снижаться, если давление уменьшать. Именно поэтому газ используется в холодильнике в качестве хладагента — вещества, которое перемещает тепло.

Сначала хладагент имеет комнатную температуру. Специальным компрессором холодильник сжимает его, чтобы повысить давление, из-за чего температура тоже возрастает. Теперь газ горячий, а значит воздух по сравнению с ним холодный. С помощью холодного тела можно понизить температуру горячего, что холодильник и делает. У многих моделей холодильников на задней стенке есть длинная змеевидная трубка — вот по ней этот хладагент проходит, чтобы остыть с помощью окружающего воздуха. Если потрогать эту трубку, то вы заметите, что она теплая.

Когда хладагент остыл, его температура снова стала комнатной. Но давление все еще высокое — и мы можем его обратно понизить. В результате этого процесса температура понижается еще сильнее — и возникает то, что мы и считаем холодом.

Неизбежным результатом работы холодильника является нагревание воздуха. Оно не такое значительное, поэтому мы его не замечаем. Ирония в том, что, когда мы создаем холод, где-то в другом месте обязательно появляется тепло.

В современных холодильниках в упомянутый цикл добавляется еще несколько этапов, в процессе которых хладагент может переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Это сделано для повышения эффективности, уменьшения габаритов и энергопотребления.

ph-2-3476779

Другим интересным бытовым прибором являются так называемые индукционные плиты. Они выглядят как простые электрические, только их конфорки обычно спрятаны под стекло и не нагреваются. Если в обычной плите конфорка становится горячей и передает тепло дну стоящей на ней кастрюли, то индукционная плита способна нагревать сразу кастрюлю, причем, как правило, всю ее поверхность.

Это возможно благодаря эффекту так называемой электромагнитной индукции. Электрический ток есть упорядоченное движение частиц – носителей заряда. Эти частицы подвержены влиянию электромагнитного поля. Они могут, грубо говоря, «цепляться» за него, если это поле движется сквозь вещество, содержащее частицы. Чем быстрее мы изменяем электромагнитное поле, тем сильнее оно влияет на носители заряда. Когда эти носители начинают двигаться, в материале возникает электрический ток. Таким образом, создать ток в каком-то теле можно, если быстро менять электромагнитное поле, проходящее через него.

Если в материале много носителей заряда, как, например, в железе, ток будет достаточно большим. Выше я говорил о том, что пропускание тока приводит к нагреву материала. Носители заряда сталкиваются с другими частицами, вызывая ускорение их движения, повышая меру беспорядочности, которая проявляется в виде температуры. Вывод: пропускание магнитного поля через железный предмет будет его нагревать.

Но важно, чтобы поле менялось, поэтому речь идет о частоте колебаний электромагнитного поля. Выше частота — больше нагрев. Таким способом индукционные плиты могут регулировать мощность работы. Специальный генератор, расположенный в конфорке, создает над ней высокочастотное электромагнитное поле, которое пронизывает кастрюлю, вызывая в ней множество электрических токов, из-за хаотичности их возникновения называемых вихревыми. Кастрюля нагревается, а от нее нагревается продукт приготовления.

Согласно современным стандартам, частота колебаний поля в индукционных плитах должна быть не ниже, чем 20 кГц (то есть 20 000 колебаний в секунду), потому что именно этой величине равен верхний порог частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. При более низкой частоте возникающие вибрации будут вызывать неприятный писк. При высокой частоте «писк» тоже есть, но он ультразвуковой, поэтому мы его не слышим.

Для того чтобы пользоваться такой плитой, нужна специальная посуда с определенными магнитными свойствами. Лучше всего подходит обычная сталь, в том числе эмалированная. Более того: продвинутые модели плит умеют считывать магнитные характеристики материала и не включатся, если на них поставить «неправильную» (например, керамическую) посуду. И наоборот: плита сама выключится, если кастрюлю с нее снять.

ph-3-9175353

Внимательный читатель может заметить, что электромагнитное поле мы уже видели в СВЧ-печах, поэтому такими эффектами нас не удивить. И вообще, зачем тогда индукционные плиты?

Дело в том, что микроволновка хоть и использует то же самое переменное электромагнитное поле, работает совсем иначе: она не создает ток в разогреваемой еде, там просто нет нужного числа носителей зарядов. Она нагревает воду. Да, именно так: микроволновка сделана таким образом, чтобы воздействовать именно на воду в веществах. Поскольку вода есть везде, то и нагреть в ней можно почти что угодно.

Но давайте по порядку. Молекула воды содержит в себе множество заряженных частиц. Группа зарядов обладает собственным магнитным полем, у которого есть определенное направление, зависящее от их взаимного положения и величины. Это направление называется дипольный момент молекулы (в данном случае речь о молекуле воды). Попадая в магнитное поле, молекула воды ведет себя подобно стрелке компаса: она пытается выровнять свой дипольный момент по направлению этого внешнего поля. Сделать это можно только повернув всю молекулу целиком. Что и происходит.

Если поле очень быстро менять, молекула будет пытаться быстро поворачиваться в разные стороны. Это вызывает ее колебания. А колебания молекул, как мы уже установили, и есть температура.

Электромагнитное поле в СВЧ-печи совершает миллиарды колебаний в секунду. Такая печь не создает разогретые поверхности, поэтому в ней, как правило, не готовят, а разогревают замороженную пищу или полуфабрикаты. И именно для разморозки она подходит лучше всего, поскольку настроена на разогрев воды. Кстати, по этой же причине более влажный продукт будет разогреваться лучше, хотя интуитивно кажется, что сухой продукт должен быть сильнее подвержен нагреву.

ph-4-2695086

И еще один интересный физический эффект, который мы используем в быту, можно наблюдать в обычном электрическом чайнике. Сам принцип нагревания воды прост и скучен — куда интереснее посмотреть, как чайник выключается (сейчас речь идет об автоматическим современном электрическом приборе).

Бывают высокофункциональные чайники с электронным управлением. У них стоит электронный же датчик температуры. А вот в самых простых механических чайниках применяется физический трюк.

Вы нажимаете на кнопку, вдавливая пружину, и кнопка фиксируется специальной защелкой, соединяя контакты. Пока кнопка нажата, на нагревательный элемент подается ток. Задача: выключить чайник при достижении водой температуры кипения. Нужно чем-то сдвинуть защелку, которая удерживает кнопку. Но произойти это должно не раньше, чем при 100 градусах по Цельсию.

При нагревании материалы имеют свойство расширяться, то есть увеличиваться в размерах. Разные материалы подвержены этому эффекту в разной степени. При одной из той же температуре два разных металла будут увеличиваться в размерах по-разному: один сильнее, другой слабее.

Из двух таких металлов собирают так называемую биметаллическую пластину. В спокойном состоянии она прямая, но если ее нагреть, то металл с одной ее стороны расширится сильнее, чем металл с другой стороны. Пластина согнется и, будучи помещенной в механизм, сдвинет нужную защелку. Тип и размеры металлов подбирают так, чтобы примерно при 100 градусах пластина изгибалась достаточно сильно для совершения нужного нажатия и отключения чайника.

Расширение происходит относительно медленно, как и последующее обратное сжатие при остывании. Именно поэтому чайник может иногда «тормозить» и не выключаться пару минут, когда вода уже кипит. И именно поэтому вы обычно не можете сразу снова включить только что вскипевший чайник: согнутая пластина удерживает защелку в открытом состоянии.

Зачастую мы принимаем многие вещи вокруг нас как должное, в то время как на самом деле в основе их работы лежат удивительные, необычные и часто парадоксальные принципы. Именно поэтому живой интерес и желание вникать в самую суть вещей помогут вам чуть лучше понимать окружающий мир и чувствовать себя его хозяином.