Олово при температуре -40 С
Олово относится к группе лёгких металлов. При нормальных условиях это пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристого цвета. Известны также четыре аллотропические модификации олова: ниже +13,2 градусов — α-олово (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза, выше +13,2 градусов — β-олово (белое олово) с тетрагональной кристаллической решёткой, а при высоких давлениях — γ-олово и σ-олово.
Простое олово полиморфно: в обычных условиях оно существует в виде β-модификации, устойчивой выше +13,2 градусов. При охлаждении белое олово переходит в α-модификацию – причём чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее. При -33 градусах скорость превращения становится максимальной. Белое олово также превращается в серое под действием ионизирующего излучения.
Соприкосновение серого олова и белого приводит к «заражению» последнего, то есть к ускорению фазового перехода по сравнению со спонтанным процессом из-за появления новой кристаллической фазы. Совокупность этих явлений и называется оловянной чумой – это название придумали в 1911 году, хотя явление было известно ещё в античности, когда люди стали замечать, что если переохладить оловянную посуду, то она рассыпется в порошок.
Причём если коснуться покрывшейся пятнами, но ещё не рассыпавшейся охлаждённой оловянной кружкой к другой такой же, то она точно так же покрывалась пятнами и рассыпалась. Понять суть явления удалось гораздо позже, когда на помощь учёным пришёл рентген. Оловянная чума погубила многие музейные экспонаты, за что её также прозвали музейной болезнью. Олово можно «вылечить», добавив в него стабилизатор – например, висмут.
Правда ли, что холодная вода закипает быстрее горячей?
Распространён совет, что, если надо быстрее вскипятить воду, то лучше кипятить холодную, чем горячую. Мы решили проверить, есть ли у такой рекомендации научные обоснования.
Спойлер для ЛЛ: горячая вода закипает всё-таки быстрее, чем холодная, а пресная — быстрее, чем солёная.
Вопрос, какая вода закипает быстрее — холодная или горячая, интересует многих. Об этом регулярно спрашивают на сайтах вопросов и ответов и обсуждают это в СМИ. Волнует пользователей и вопрос, может ли соль ускорить закипание воды, а некоторыекулинарные ресурсы однозначно утверждают, что солёная вода закипит быстрее, чем пресная.
С точки зрения физики кипение — это процесс парообразования внутри всего объёма жидкости, в отличие от испарения, при котором пар образуется только на поверхности. Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Этот параметр зависит от атмосферного давления и типа жидкости. Чем выше давление, тем выше температура кипения. Именно поэтому на вершинах гор, где давление ниже, чем на уровне моря, вода закипает не при 100 °С, а при более низких температурах — например, при 90 °С. На вершине Эвереста вода кипитпри температуре всего 68 °С.
Однако на любой высоте процесс кипения происходит по одним и тем же законам: вода поглощает тепло от плиты, огня или нагревательного элемента электрического чайника, постепенно становясь всё горячее. Логично, что воде температурой 60–75 °С — а по правилам именно такой должна быть вода в системе горячего водоснабжения в Москве — потребуется нагреться на меньшее количество градусов, чтобы закипеть, чем воде комнатной температуры (18–20 °С). Однако чем холоднее вода, тем эффективнее она поглощает тепло, и поэтому холодная вода вначале будет нагреваться быстрее. Но это преимущество будет кратковременным, и, достигнув температуры горячей воды, она будет нагреваться с той же скоростью, что и изначально горячая вода. В итоге время закипания для холодной воды будет складываться из времени, необходимого для нагревания её до температуры горячей, и времени, за которое закипает горячая вода.
Предположительно, заблуждение могло возникнуть из-за того, что в случае с замерзанием горячей и холодной воды может возникнуть эффект Мпембы. Он заключается в том, что горячая вода при некоторых условиях может замерзать быстрее, чем холодная. Названный в честь танганьикского школьника Эрасто Мпембы, эффект пока не получил достаточного научного объяснения, и учёные продолжают спорить, существует ли он на самом деле, пытаясь повторить оригинальные эксперименты школьника и профессора физики Дэнниса Осборна. В 2016 году, проведя свои наблюдения, британские учёные пришли к выводу, что горячая вода не остывает быстрее, чем холодная, то есть опровергли существование эффекта. Но уже в 2017 году их выводы подвергли сомнениям сразу две группы учёных: китайско-сингапурская и американская. Первые обнаружили, что в теории нагрев охлаждённой системы, далёкой от равновесия, должен занимать меньше времени, чем другой системы, которая была изначально ближе к равновесию, однако практической реализации своей теории не предоставили. Вторые спрогнозировали появление прямого и обратного парадокса Мпембы для некоторых сыпучих тел.
Помимо давления, на температуру кипения влияет количество примесей в воде. В горячую водопроводную воду добавляют различные химические соединения, чтобы защитить трубы от коррозии. Согласно второму закону Рауля, чем больше в растворе примесей, тем выше нужна температура для кипения. Мосводоканал заявляет, что жёсткость, то есть количество растворённых в воде солей, в Москве находится в пределах между 1,9 и 5,7 мг-экв/л. В первую очередь это соли магния и кальция. По требованиям Роспотребнадзора, допустимый предел жёсткости воды для централизованного водоснабжения — 7 мг-экв/л. Такое количество примесей на температуру кипения влияет крайне незначительно. Однако в электрочайнике, который редко очищают изнутри, имеется большой слой известкового налёта и оставшиеся от многочисленных предыдущих кипячений примеси в виде хлопьев — это количество может стать существенным. Именно поэтому производители советуют заливать в такие устройства или предварительно отфильтрованную воду, или регулярно их чистить. Они обращают внимание на то, что вода в чайнике с большим количеством отложений будет закипать медленнее, а сам прибор будет потреблять большее количество электроэнергии.
Поваренная соль, или хлорид натрия, также повышает температуру кипения воды, поэтому подсоленная вода будет кипеть при большей температуре, чем пресная. Каждые 29 г соли (примерно столовая ложка с горкой) на литр воды увеличивают температуру кипения на 0,5 °С. Однако если попробовать провести такой эксперимент дома, то результаты могут удивить. Плотность солёной воды выше, чем пресной, а теплоёмкость — немного ниже. То есть пузырьки, которые появляются перед самим процессом кипения, появятся вначале на дне кастрюли с подсоленной водой. Пресная же вода будет нагреваться равномерно, поэтому пузырьки появятся позже, но точка кипения будет достигнута быстрее.
Таким образом, горячая вода закипает всё-таки быстрее, чем холодная, а пресная — быстрее, чем солёная. Однако для приготовления пищи разница между температурами кипения и скоростью закипания солёной и несолёной воды крайне незначительна — нужно будет добавить две столовые ложки с горкой соли, чтобы температура кипения увеличились всего на один градус. Что действительно может ускорить закипание воды, так это крышка, закрывающая кастрюлю: так тепло будет сохраняться внутри кастрюли, и вода закипит быстрее.
Изображение на обложке: Image by Three-shots from Pixabay
Наш вердикт: заблуждение
В сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла)
Аудиоверсии проверок в виде подкастов c «Коммерсантъ FM» доступны в «Яндекс.Подкасты», Apple Podcasts, «ЛитРес», Soundstream и Google.Подкасты
«Джеймс Уэбб» измерил температуру каменной экзопланеты в системе TRAPPIST-1
«Джеймс Уэбб» измерил температуру каменной экзопланеты в системе TRAPPIST-1
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) впервые измерил температуру дневной стороны каменной экзопланеты в звездной системе TRAPPIST-1. Оказалось, что она составляет примерно 230 °C. При этом у экзопланеты нет значимой атмосферы.
Красный карлик TRAPPIST-1 расположен на расстоянии 41 светового года от Солнца. По звездным меркам, это очень небольшое и холодное светило. Его радиус лишь немного превосходит радиус Юпитера, масса составляет 9% от массы Солнца, а температура поверхности 2 300 °C.
В 2016 – 2017 годах астрономы обнаружили сразу семь каменных экзопланет в системе TRAPPIST-1. С точки зрения своего расположения они характеризуются очень плотной «упакованностью». Орбиты первой и седьмой планеты разделены дистанцией, составляющей всего 6 млн км. Для сравнения, в Солнечной системы этот показатель равен 2,8 млрд км.Но самое интересное в TRAPPIST-1 это то, что орбиты сразу трех ее миров лежат в т. н. зоне обитаемости. Они получают от своей звезды достаточное количество энергии, чтобы при наличии подходящих атмосферных условий на их поверхности могла существовать вода в жидком виде. Все это делает систему TRAPPIST-1 крайне привлекательным объектом для исследований. Неудивительно, что она стала одной из первоочередных целей для JWST.
Целью первых наблюдений JWST стала внутренняя экзопланета TRAPPIST-1b. По размерам и массе она немного больше Земли, ее орбита проходит на расстоянии 1,7 млн км от родительской звезды.
JWST сосредоточился на измерении энергии, выделяемой экзопланетой в виде инфракрасного излучения. Для этого астрономы использовали метод, называемый фотометрией вторичного затмения. JWST измерял изменение яркости системы по мере того, как TRAPPIST-1b проходил за своей звездой. Благодаря высокой чувствительности своих инструментов, которая намного превосходит показатели предшественников, космическая обсерватория сумела рассчитать, сколько именно инфракрасного света испускает дневная сторонаTRAPPIST-1 b. Анализ показал, что этот показатель соответствует средней температуре поверхности в 230 °C.
Кроме того, астрономам удалось исключить наличие у TRAPPIST-1 b плотной атмосферы. Дело в том, что экзопланета постоянно обращена к своей звезде одной и той же стороной. Если бы у нее имелась атмосфера, то она бы осуществляла перераспределение тепла и дневная сторона была бы немного холодней.
Однако JWST не удалось выявить никаких признаков подобного процесса. Анализ результатов пяти отдельных наблюдений говорит о том, что излучение TRAPPIST-1 b почти идеально соответствуют абсолютно черному телу, состоящему из голой породы и лишенному атмосферы. Кроме этого, не было выявлено никаких признаков поглощения света углекислым газом, что тоже свидетельствует о том, что у экзопланеты нет значимой атмосферы.
Насколько быстро остывает кофе?
Действительно ли бумажные термостаканы, в которых продают кофе на вынос в кофейнях, не дают напитку быстро остывать? Задумался и решил сравнить:
стеклянную пивную кружку на 0,5 л, в которую я обычно наливаю по утрам кофе;
кружку Starbucks - предположительно, с двойными стенками;
термостакан из ближайшей кофейни с крышкой.
Для ЛЛ: в кружках сначала резкое снижение температуры, потом плавное остывание. В стакане сразу остывает плавно. Скорость остывания в кружках и стаканах после 10-15 минут одинаковая.
Ради такого дела взял с работы на вечер термометр, вот такой (- Тащ начальник, разреши любопытство потешить! Утром принесу! - Да на здоровье, только верни в целости). Заявленный диапазон температур от -50 до +150°С, погрешность ±0,2°С: температуру свежесваренного кофе перекрывает с гарантией, подходит идеально.
Как измерял: в течение получаса, с шагом 1 минута, записывал температуру, погружая щуп в жидкость примерно на 2/3, не касаясь им ни дна, ни стенок. Чтобы не держать термометр в руке, сделал из пластиковых обрезков и с помощью такой-то матери держатель. Температура в помещении - примерно одинаковая, 20-25°С. Как это выглядело:
Так как предполагается, что из такого стакана пьют через отверстие в крышке, то и измерение проводил с крышкой. Результаты представлены на графике ниже:
Красивое!
Казалось бы, очевидно: термостакан хорош. Но посмотрите на цифры:
Столбцы "дельта" - разница между температурой кофе относительно термостакана. После 10 минут эта разница, очевидно, начинает стабилизироваться, а после 15 - практически не изменяется: что в стеклянной кружке, что в кружке из старбакс. Отбросим точки до 15 минут и построим линии тренда по оставшимся данным:
Температура, как видим, во всех случаях убывает линейно: коэффициент корреляции близок к единице.
Обратите внимание на уравнения линий тренда. Линейная зависимость характеризуется уравнением вида y = bx+a, где а - свободный член линейной зависимости, а b - угловой коэффициент. Что это такое, с практической точки зрения? Если х (то есть время) равно нулю, y (температура кофе) = a, то есть "а" - это температура в гипотетический "начальный момент" времени. На графике это точка пересечения графика с осью ординат. Поскольку мы отбросили точки до 15 минут, естественно, линии тренда ведут не в область практически полученных значений температуры в нулевой точке, а ложатся ниже. Причём, что важно, для термостакана a = 85,7, что достаточно близко к реальной температуре в начале отсчёта (88,9), т.е. кофе в стакане остывает с самого начала практически с одной и той же скоростью. Можно предположить, что одной из возможных причин могут быть:
1) прогрев материала кружки в первые минуты после наливания кофе;
2) низкая теплоёмкость материала термостакана.
Логично - что охладит кофе сильнее? Холодная, толстостенная кружка, металл или довольно тонкий картон?
Теперь об угловом коэффициенте, или, иначе, тангенсе угла наклона прямой, в данном случае - линии тренда. О каком угле идёт речь, понятно из картинки ниже:
Если угол острый, коэффициент b > 0, а если тупой, как в нашем случае, то b < 0. Тангенс равен отношению противолежащего катета к прилежащему катету, то есть физически, применительно к нашим графикам, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат - температура, это отношение температуры ко времени, то есть скорость остывания кофе!
d в таблице выше рассчитано в процентах относительно термостакана. Стеклянная кружка - практически один в один; кружка из Starbucks остывала чуть быстрее (видно на графике), но, в целом, разница не такая уж большая.
Проверим, являются ли полученные выборки на интервале 15-30 минут гомоскедастичными. Для этого рассчитаем дисперсию полученных значений температуры кофе в каждой временной точке после 15 минут (D) и критерий Кохрена (G), сравнив его с пороговым значением при уровне значимости 0,05 (Gкрит.):
Пример расчёта критерия Кохрена в Excel приведён здесь. Сравнивая расчетное значение G (0,066) с критическим значением G(0,05) = 0,554, приходим к выводу, что гипотеза о равенстве дисперсий для этих выборок не опровергается на уровне значимости = 0,05. То бишь, говоря человеческим языком, разброс измеренных значений температуры в каждой точке в интервале 15-30 минут примерно одинаковый, во что бы кофе ни был налит. Ба-дум-тс.
Что ещё можно отсюда вытянуть? Используя любезно рассчитанные Excel коэффициенты уравнений линейной регрессии (см. график с линиями тренда), можно рассчитать отклонение фактически полученного значения температуры в каждой точке от расчётного.
Ни в одной точке отклонение измеренного значения температуры не отличается от рассчитанного более, чем на 2%.
Т.о., для отрезка 15-30 минут температура кофе во всех случаях убывает строго линейно; это отмечается визуально, подтверждается крайней близостью коэффициента корреляции уравнений линейной регрессии к единице и хорошей корреляцией между рассчитанными значениями температуры (из уравнений линий тренда) и практически полученными. Угловые коэффициенты близки. Рассчитанный критерий Кохрена не превышает критического при уровне значимости 0,05, что также свидетельствует о равномерности остывания кофе в любой ёмкости после 15 минут.
Подведём итог. Через некоторое время скорость остывания выравнивается, вне зависимости от того, во что он налит, закрыта ёмкость или нет. Возможно, это связано с тем, что материал термостакана меньше охлаждает кофе в первые минуты после наливания. Так что в целом - да, в закрытом термостакане кофе дольше останется горячим, но не потому, что он лучше удерживает тепло.
P.S. Если где ошибся в расчётах и/или формулировках, прошу прощения.
P.P.S. Пока выполнял обсчёт, вспомнил машину Голдберга:
Бесполезные измерения
В фильме "Амели" есть сцена, где главная героиня приходит в гости к человеку, который всю жизнь проработал кондуктором, и находясь на пенсии компостирует цветок жены.
Всегда смотрел эту сцену с улыбкой (как и весь фильм) и только сегодня до меня дошел весь ужас, так сказать, момента.
Я всю жизнь что то измеряю и подсчитываю. И хожу потом с довольной рожей когда все совпало, при том что подсчетами не пользуюсь.
Ну вот, например, надо проложить трубу. Оцениваю на глаз - 5 метров. Трубы продаются отрезами по 2 метра, значит 6 метров хватит с запасом. Но нет. Я беру рулетку, замеряю, получаю результат 5.3 метра. Еду в магазин с довольной рожей (я же сказал что 6 метров хватит!). И что? Беру 8 метров трубы, из расчета что один метр потеряю, один поломаю. Прокладываю трубу, у меня уходмт ровно как измерил, и двухметровый кусок трубы с остатком в 70 см будет теперь мешаться ближайшую бесконечность.
Или вот сейчас. Першит горло и раздражена кожа - нука, нука. Точно. 36.8. Таак заболели коленки - ха, как в воду гледел 37.0. Поясница - 37.2, ктобы сомнивался.
Жду озноба в 37.5, головную боль в 38.1 (в 38.0 болеть не будет).
Вот нахрена я измеряю каждый этап? Нормальный человек пойдет в больничку, или в аптеку. Хер. Я буду измерять. И лежать довольный что совпало.
Признак шизы или в целом норма?