Predstava kuchyne ako fyzikálneho laboratória sa zdá byť rovnako uletená ako varenie na demonštráciu fyzikálnych javov. Oboje však súvisí s fyzikou väčšmi, ako sa na prvý pohľad zdá.
Veľkú chybu robia tí, ktorí zatvárajú fyziku len do učebníc a laboratórií. Fyzika, či ešte lepšie – fyzikálne javy, totiž neexistujú len na výučbe v škole, ale sú všade okolo nás, dokonca môžu byť aj zaujímavé a zábavné. Stačí len vkročiť do kuchyne a na začiatok si pripraviť, povedzme, čaj. Recept na čaj, ak sa vôbec dá nazvať receptom, je azda najjednoduchší zo všetkých receptov: Napustiť vodu do nádoby, postaviť nádobu na horák, zapáliť oheň a čakať, kým voda zovrie. Horúcou vodou potom stačí zaliať čaj, počkať, kým sa vylúhuje, a potom podľa chuti môžeme tekutú dobrôtku ešte osladiť. Komu sa zdá príprava čaju nudná rutina, môže si ju pri jednotlivých úkonoch spestriť oprašovaním zabudnutých vedomostí z fyziky.
Na teplote záleží
Otočením kohútika vodovodu sa pustí prúd vody. Pri pozornom pozorovaní prúdu si všimneme, že sa smerom nadol zužuje. Tento jav možno pripísať na vrub gravitačnej sile. Keď vyteká voda z vodovodu, povrchový tlak udržuje na jej pramienku niekoľkocentimetrový priemer. Ale voda, ako všetky padajúce telesá, zvyšuje každou sekundou rýchlosť o 9,81 m/s, ktorá pôsobí na jej tlak ako pohon. Kým položíme nádobu na horák, všimneme si, že po zavretí kohútika odpadne z vodovodu ešte niekoľko kvapiek. Nie vždy sú však rovnakej veľkosti – ak púšťame teplú vodu, kvapky sú menšie ako zo studenej. Vysvetlenie je prosté: studená voda má väčšie povrchové napätie. Princíp varenia vody je všeobecne známy, a preto netreba riešiť, ako funguje tepelná výmena a prečo je lepšie variť vodu v uzavretej nádobe. No práve tieto vedomosti sú dobré na ohúrenie tých, ktorí fyziku zavreli len do učebníc. Stačí naplniť skúmavku vodou, vložiť do nej kúsok ľadu a niečím ho zaťažiť, aby nevyplával na povrch, pretože je ľahší ako voda. Potom stačí zahrievať hornú časť skúmavky. A hoci voda začne čoskoro vrieť, ľad sa neroztopí. Nejde však o nijaký zázrak či kaukliarstvo, ale len o využitie poznatkov z termodynamiky. Voda sa teplom rozťahuje stáva sa ľahšou, a preto neklesá ku dnu skúmavky, ale zostáva v jej hornej časti. Prúdenie vody a premiešavanie jej vrstiev sa deje len v hornej časti a nesmerujú dole, pretože tam sú hustejšie vrstvy. Oteplenie sa môže šíriť smerom nadol len tepelnou vodivosťou, no tú má voda malú, a tak nemáme ľad vo vriacej vode, ale ľad pod vriacou vodou.
Signalizujúci zvuk
Vráťme sa však k príprave čaju. Keď varíme vodu v kanvici, môžeme dokonca počuť, že sa blíži bod varu. Vzniká zvláštny zvuk a silnejúce hučanie, ktoré oznamuje skorý bod varu, zrazu však, hneď ako voda skutočne začne vrieť, takmer utíchne. Pri ohrievaní vody sa totiž zahrieva najprv kovové dno kanvice a až od neho samotná voda. Ide o značne nerovnomerný ohrev – voda v tesnej blízkosti dna má už po niekoľkých sekundách od postavenie kanvice na plameň takmer teplotu varu, zatiaľ čo voda vo väčšej vzdialenosti je oveľa chladnejšie. Vďaka tomu dochádza k intenzívnemu premiešavaniu, pri ktorom ľahšia horúca voda stúpa hore a na jej miesto sa dostáva chladnejšia voda. Okrem toho sa horúca vrstvička pri dne ochladzuje od zvyšnej vody obyčajným vedením tepla. Zatiaľ sa teda nijaký zvuk neozýva. Keď sa však voda v celej kanvici zahreje na vyššiu teplotu (asi 60 °C), nestačí už dostatočne ochladzovať vrstvičku vody, ktorá je v kontakte s horúcim dnom kanvice, a voda v tejto vrstve začne vrieť. Vzniknuté bublinky pary sa prudko zväčšujú a keby v celej kanvici mala voda teplotu varu, stúpali by až na hladinu. Pretože je však voda v kanvici ešte chladnejšia ako 100 °C, bublinka pary stúpa len kúsok, než sa dostane do chladnejšej vody. A tu dôjde k ochladenie bublinky a tým aj k jej prudkej kondenzácii, takže sa bublinka pohltí a zmizne. A pretože k vzniku a kolapsu bubliniek dochádza veľmi rýchlo a po celom dne, začne voda nepravidelne kmitať hore a dole. Toto chvenie vody sa prenesie až na hladinu a do vzduchu, takže počujeme zvuk – známe hučanie alebo šumenie. Situácia sa však opäť zmení, keď už voda v celom objeme dosiahne teplotu varu. V tej chvíli bublinky pary vznikajúce na dne stúpajú nahor, nezanikajú a vo vode teda nedochádza k takým rýchlym pohybom tam a späť. Zvuk preto v tejto fáze paradoxne trochu utíchne.
Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.
R
Foto Pixabay
