Большой космический обман США. Часть 20. Аэродинамический нагрев и «космические» капсулы НАСА - стр. 27
Велюров о чайнике для «чайников». Автор объясняет, почему чайник не плавится при длительном нагревании:
3. Почему сгорает чайник?
Это тот редкий случай, когда любая домохозяйка даст фору даже доктору наук. Элементарно! Потому что в чайнике нет воды! Теперь переведем данный ответ на язык физики. Все, что нужно знать из курса термодинамики – это то, что тепло передается исключительно от горячего тела холодному, но никак не наоборот! При этом теплообмен пропорционален разности температур двух тел, а не абсолютной температуре как таковой. Нагревание чайника на газовой плите хорошо описывается законом Ньютона-Рихмана:
dQ = α· (tг – tст) ·dS·dt
Здесь: tст и tг – температура стенки и температура газа; α – коэффициент теплоотдачи; dS – поверхность теплообмена; dt – время теплообмена
4. Что происходит с пустым чайником на огне?
Наличие позитивной разницы температур между пламенем и чайником (tг – tст)> 0 формирует конвективный теплообмен dQ от пламени на стенку чайника. Поскольку чайник пуст, то дальше передать полученную теплоту некуда. Поэтому полученное от пламени тепло идет на повышение внутренней энергии металла – на его нагрев. Можно, конечно, сделать чайник исключительно толстостенным, чтобы нагрев металла длился как можно дольше. Но такой чайник будет очень тяжелым и дорогим, а значит – никому не нужным.
5. До каких пор будет нагреваться чайник?
Пока будет положительной разница температур пламени и стенки (tг – tст)> 0 будет конвективный теплообмен, т.е. будет нагрев чайника. Чайник всегда стремится достичь температуры пламени: tст → tг. Поэтому пустой алюминиевый чайник «сгорит» при любой температуре пламени, будь то 1000°С, 2000°С или 5000°С. Просто с разной скоростью…
6. Что надо сделать, чтобы чайник не сгорел?
Элементарно! Налить в него воды!
7. Что происходит с полным чайником на огне?
Из-за позитивной разницы температур между пламенем и стенкой (tг – tст)> 0, тепло огня dQ передается стенке чайника. Далее, тонкая стенка чайника передает тепло dQ воде по точно такому же закону Ньютона-Рихмана, только с другим коэффициентом α. Поскольку масса воды значительно больше массы чайника, то чайник греется медленно. Но, вот мы доходим до отметки, когда температура воды составит ровно 100°С. Что будет дальше? Дальше будет происходить самый удивительный процесс – фазовый переход молекул Н2О из жидкой фазы в газовую, именуемый в простонародье – кипение. Главная особенность фазового перехода (кипения) – оно происходит при постоянной температуре tж=const и сопровождается очень большим поглощением теплоты. Это означает, что до тех пор, пока в чайнике остается запас воды, он будет «термостатирован» – температура воды никогда не превысит 100°С (при атмосферном давлении), сколько бы вы этот чайник ни грели!