Помешивая чай

ВОПРОС: Я помешивал чай, и мне в голову пришла мысль: «Разве я не добавляю чашке кинетической энергии?» Мы помешиваем горячий чай, чтобы остудить его, но что, если мешать гораздо быстрее? Можно ли вскипятить чашку воды, просто помешивая ее?

– Уилл Эванс

ОТВЕТ: Нет.

Исходная идея логична. Температура – это просто кинетическая энергия. Когда вы помешиваете чай, вы повышаете его кинетическую энергию, которая должна быть на что-то потрачена. Поскольку чай не делает ничего увлекательного: не поднимается в воздух и не начинает излучать свет, энергия должна обращаться в тепло.

Я что – неправильно завариваю чай?

Вы не замечаете этого тепла по той причине, что добавляете его очень мало. Требуется очень много энергии, чтобы сильно нагреть воду, поскольку ее теплоемкость выше, чем у всех остальных привычных нам веществ[155].

Если вы хотите за пару минут довести воду комнатной температуры практически до кипения, вам потребуется большая мощность[156]:

Наша формула показывает, что, если мы разогреваем чашку воды за две минуты, нам нужен источник питания мощностью в 700 Вт. Обычная микроволновка потребляет 700–1100 Вт, и ей требуется где-то две минуты, чтобы нагреть кружку воды и заварить чай. Здорово, когда все получается!

Феликс Баумгартнер, британская версия

Нагревание чашки воды в микроволновке за две минуты при мощности в 700 Вт означает, что воде досталось очень много энергии. Когда вода падает с вершины Ниагарского водопада, она приобретает кинетическую энергию, которая уже у подножия водопада обращается в тепло. Но даже после падения с такой высоты вода нагревается только на долю градуса[157]. Чтобы вскипятить чашку воды, ее нужно уронить из точки, находящейся выше границы атмосферы.

Что общего у помешивания и работы микроволновки?

Судя по цифрам, которые я взял из инженерных отчетов по разработке промышленных миксеров, можно сказать, что энергичное помешивание чая нагревает его примерно на уровне одной стотысячной ватта. Это число, которым можно пренебречь.

На самом деле физический эффект перемешивания довольно сложен. Большая часть тепла покидает чашку благодаря конвекции воздуха, которая происходит над поверхностью жидкости, так что чай остывает сверху вниз. Помешивание поднимает горячую воду со дна чашки на поверхность, что дополнительно ускоряет этот процесс. Но происходят и другие явление – перемешивание повлияет и на воздух, который нагреет стенки чашки. Без точных измерений сложно сказать, что именно произойдет.

К счастью, у нас есть Интернет. Пользователь сети Stack Exchange под ником drhodes измерил скорость остывания чашки, сравнив ситуации, когда чай помешивают, когда его не помешивают и когда ложку периодически окунают в чашку и тут же вынимают из нее. Также Drhodes любезно выложил графики в хорошем разрешении плюс необработанные данные – о многих статьях в научных журналах такого не скажешь.

Вывод: не имеет особого значения, помешиваете ли вы чай, просто окунаете в него ложку или вообще ничего не делаете – чай остывает примерно с одинаковой скоростью (хотя в ситуации, когда в него окунали ложку, он остыл чуточку быстрее).

И тут мы возвращаемся к изначальному вопросу: можно ли вскипятить чай, если очень интенсивно его помешать?

Нет.

Первая проблема – это мощность. Необходимая мощность, 700 Вт, равна примерно одной лошадиной силе, так что если хотите вскипятить чай за две минуты, вам потребуется как минимум одна лошадь, которая его будет помешивать.

Можно обойтись и меньшей мощностью, если вы готовы разогревать чай очень долго, но если это время растянуть слишком сильно, чай будет остывать с той же скоростью, с которой вы его нагреваете.

Даже если бы вы смогли помешивать его с достаточной скоростью – 10 000 помешиваний в секунду, – в дело вступят законы гидродинамики. На таких скоростях движения жидкости начнется кавитация – вдоль пути ложки будет образовываться вакуум, и помешивание станет неэффективным.

И если вы помешиваете чай столь интенсивно, что происходит кавитация, площадь его поверхности начнет стремительно расширяться, после чего он за несколько секунд остынет до комнатной температуры.

Как бы сильно вы ни помешивали чай, теплее он не станет.