Текст книги "Всё о науке за 60 минут"

Несовершенный тостер

Несмотря на все обещания многочисленных производителей мелкой кухонной техники, у меня до сих пор нет нормального тостера, который бы всегда работал так, как я хочу. И дело тут вовсе не в настройках: мой тостер способен выдавать огромный диапазон прожарки – я могу получить хлеб от слегка румяного до полностью обугленного. Так может быть, я просто покупаю дешевые тостеры? Или все же есть нечто принципиально трудное в автоматизации поджаривания хлеба?

Базовая конструкция тостера практически не изменилась с 1919 года, когда Чарльз Стрит изобрел автоматический тостер, выбрасывающий хлеб после поджаривания. Это устройство объединило в себе целый ряд механизмов – в частности, нагревательный элемент, таймер и связанный с ними пружинный механизм. Также в основе тостера лежит еще одно изобретение, которое вы легко можете обнаружить и в своем тостере сегодня: это нихромовая проволока. В самом первом тостере, сконструированном в 1893 году шотландцем Аланом Макмастерсом, использовались катушки из нихромовой проволоки, через которые проходило электричество. Именно оно давало тепло для поджаривания хлеба. К сожалению, пришедшая на ее место стальная проволока перегревалась, вступала в реакцию с кислородом и быстро сгорала. И все же компания, производившая тостеры с нихромом, да и сам Макмастерс при жизни, не слишком преуспели в продвижении своего изобретения, пропустив на рынок «стальных» собратьев.

Однако в 1905 году нихромовая проволока отвоевала свои позиции и прочно закрепилась на рынке. Сплав, состоящий из 80 % никеля и 20 % хрома, имеет несколько очень важных свойств. Во-первых, его можно нагревать до очень высоких температур и он не окисляется, как сталь. Дело в том, что нихром образует защитный слой из оксида хрома. Во-вторых, нихром – очень плохой проводник электричества. Вы можете подумать, что это помеха для использования его в электрических устройствах. Однако именно высокое сопротивление электричеству делает нихромовую проволоку незаменимой для большинства электронагревательных приборов. Когда через нее проходит электричество, сопротивление нихрома проявляется в виде большого количества тепла. Эти два свойства делают нихром идеальным материалом для преобразования электричества в тепло. Успех сплава был таким значительным, что его изобретателя, Альберта Марша, даже объявили отцом электроотопительной промышленности.

Итак, если тостер сам по себе такое простое устройство, то почему мои тостеры продолжают давать столь неустойчивые в плане прожарки результаты? На самом деле ответ на этот вопрос кроется не в тостерах, а в хлебе. Идеальный тост, на мой взгляд, горячий, хрустящий и золотисто-коричневый. И если с температурой и хрустящей корочкой проблем нет, то оттенок цвета – вопрос более сложный. Химия этого изменения, связанная с реакцией Майяра[13]13
  Химическая реакция между аминокислотами и сахарами, которая происходит при жарке мяса или выпечке хлеба. Однако механизм реакции был описан не ее первооткрывателем, Луи Камилем Майяром, в 1910-х годах, а американским химиком Джоном Эдвардом Ходжем в 1953 году.


[Закрыть], была неплохо изучена еще в 1910-х годах, поскольку она лежит в основе многих процессов приготовления пищи. Когда вы разогреваете ломтик хлеба (или, как вариант, картофель, или стейк), белковые молекулы начинают вступать в реакцию с определенными сахарами, такими как глюкоза, лактоза и мальтоза, но не сахароза. Эта реакция производит новые, сложные соединения, которые обеспечивают коричневый оттенок и приятный вкус. Именно этого, я уверен, мы и пытаемся добиться от наших тостов. Однако, нагревая хлеб чересчур сильно, мы слишком далеко заходим в этом взаимодействии и доводим хлеб до карамелизации (с горьким вкусом[14]14
  Переваренная карамель немного горчит. Ее всегда лучше недоварить, чем переварить.


[Закрыть]), а иногда и до карбонизации (обугливания).

Проблема с приготовлением тостов заключается в том, что степень прохождения реакции Майяра критически зависит от количества и типа сахаров в хлебе, а также от содержания белков. Вот почему и самый лучший тостер сегодня не может каждый раз делать идеальные тосты, даже если вы покупаете один и тот же хлеб. Кроме того, для реакции Майяра большое значение имеют чисто физические аспекты, такие как температура хлеба перед тем, как он попадет в тостер, и толщина ломтика. Оказывается, обжаривать тосты сложнее, чем кажется, и именно поэтому развитие технологии тостеров застопорилось почти на сто лет.

Загадка кофейного кольца

Если вы прольете немного кофе на стол и, не вытерев, оставите его сохнуть, он не оставит после себя равномерного коричневого пятна, как можно было бы ожидать. Вместо этого вы увидите кольцо с очень темными краями и светло-коричневой серединой. Такой же эффект, хотя и менее выраженный, вы получите на салфетках и скатертях, залитых красным вином. По мере высыхания пятно будет приобретать более насыщенный цвет по краям.

Это явление известно как эффект кофейного кольца. Стоит отметить, что такое название призвано подчеркнуть наличие яркого края при высыхании капли кофе, а вовсе не вызвано формой пятна, которую оставляют на столе кофейные чашки. Это происходит потому, что кофе – не просто коричневая жидкость, а суспензия (проще говоря, неоседающая взвесь): вода с измельченными частицами кофейных зерен и растворенными в ней молекулами соединений, дающих аромат. Если речь идет о кофе с кофеином, а другой я не приемлю, то это аромат кофеина.

Представьте себе, что у нас есть капля кофе на гладкой столешнице вашей кухни. Когда эта капля начнет высыхать, вы заметите несколько моментов. Во-первых, размер площади смоченной столешницы не уменьшится по мере испарения капли. Край жидкости на столе останется зафиксированным в первоначальном положении, поскольку вода очень хорошо прилипает к поверхности стола – порой до такой степени, что силы, стягивающие каплю вместе, слабее, чем те, которые удерживают ее на столешнице. Поэтому, когда капля высыхает, она не оказывается меньше в диаметре, но становится более плоской.

Во-вторых, испарение воды происходит по всей поверхности капли, включая края, где вода встречается со столешницей. Когда молекулы воды испаряются из середины капли, на их место поднимаются молекулы снизу. По краям ситуация немного другая: здесь вода располагается под небольшим углом к столешнице. Поэтому, когда испаряются молекулы по краям, капля как бы растекается: под действием силы тяжести улетевшие молекулы заменяются молекулами из центра, и это создает постоянный отток молекул от центра капли к краям.

Поскольку наша капля заполнена крошечными частичками измельченных кофейных зерен, эти частички двигаются вместе с водой. Так что бóльшая их часть к тому времени, когда вода полностью испаряется, оказывается около края. При попадании жидкости на впитывающую поверхность, такую как салфетка, происходит то же самое, только эффект получается менее выраженным. Его ослабление объясняется тем, что перемещение частиц затруднено волокнами салфетки.

Эффект кофейного кольца может показаться очень надуманной проблемой, но на самом деле в лакокрасочной промышленности его существование создает массу трудностей. Он применим к любой жидкости, содержащей мельчайшие частицы. В баллончике с аэрозольной краской, к примеру, тоже суспензия – взвесь крошечных частичек пигмента в жидком носителе. Но ведь все мы хотим получить ровное покрытие, а не маленькие колечки с темными краями, вызванные эффектом кофейного кольца. Есть несколько способов обойти эту проблему. Проще всего использовать жидкость с максимально быстрым испарением. Внутри такой жидкости частички не успевают перемещаться.

Однако большего внимания заслуживает то, что обнаружили ученые из Университета штата Пенсильвания в США. Если частицы, взвешенные в жидкости, имеют не сферическую, а удлиненную форму, эффект кофейного кольца не наблюдается. Если частицы примерно в три раза длиннее своей ширины, они просто застревают на внутренней поверхности капли. Затем они начинают прилипать друг к другу и образуют комки, которые слишком велики, чтобы их можно было притянуть к краю капли. И, когда капля высыхает, получается покрытие с равномерным распределением частиц. Пожалуй, это открытие может послужить отличным началом для создания медленно высыхающих аэрозольных красок.

Таким образом, чтобы избежать неприглядных кофейных колец на вашей столешнице, вы можете либо измельчать кофе в удлиненные частицы, либо вытирать капли до того, как они высохнут сами. Одно из этих решений явно имеет научную основу, но зато другое радует своей простотой.

Как необычность льда спасла цивилизацию

Звон кубиков льда в высоком стакане с любимым коктейлем навевает на меня воспоминания о жарких летних вечерах. К тому же в бокале, где есть лед, независимо от напитка, всегда происходит кое-что примечательное.

Давайте рассмотрим основные различия между жидкостями и твердыми телами. В качестве примера я приведу чистый спирт, или этанол, просто потому, что это очень удобное вещество. Молекулы жидкого этанола не крепко связаны друг с другом и могут свободно перемещаться. Это одно из ключевых свойств жидкости, и оно позволяет нам наливать жидкий этанол в емкости любой формы. Однако если вы заморозите этанол до –114 °C, он превратится в твердое вещество. И молекулы твердого этанола уже будут зафиксированы на месте в аккуратном массиве регулярной кристаллической решетки. То есть в твердом этаноле молекулы не могут свободно перемещаться, они связаны крепче, и каждая как бы занимает меньше места, так что твердый этанол плотнее, чем жидкий. Если вы сделаете кубики из твердого этанола и бросите их в стакан с жидким этанолом, они опустятся на дно.

Это справедливо практически для всех жидкостей в самом широком смысле этого слова: этанола, растительного масла, ртути, кислорода, стали. Твердое вещество всегда плотнее и тонет в жидкости. Однако вода выбивается из этого правила и вообще имеет много аномалий. В частности, плотность льда меньше, чем плотность воды, и лед плавает на ее поверхности.

Это объясняется способностью молекул воды образовывать особый тип химической связи – относительно слабую водородную связь. Вода чрезвычайно хороша в создании водородных связей, и в силу этого ей присущи также и другие странные характеристики, помимо расширения при замерзании. А именно – высокое поверхностное натяжение и капиллярное действие. В жидкой воде молекулы перемещаются с очень высокой скоростью и обладают весьма внушительным запасом энергии, препятствующим тому, чтобы водородные связи удерживали молекулы на месте. Следовательно, последние часто приближаются довольно близко друг к другу.

Когда температура падает ниже 0 °C, молекулы не могут сопротивляться водородным связям, так что они замедляются вплоть до остановки. Молекулы воды располагаются объемными слоями гексагональных решеток, причем расстояние между ними определяется длиной водородной связи. Сочетание такого специфического геометрического расположения и большой длины водородной связи обеспечивает меньшую плотность «упаковки» молекул воды относительно друг друга, чем в жидкой фазе. При меньшем количестве молекул воды, упакованных в заданное пространство, плотность уменьшается, а не увеличивается.

Хотя может показаться неважным, плавают ли кубики льда или тонут, эта особенность воды оказывает значительное влияние на наш мир. Например, огромная арктическая ледяная шапка со всеми живущими на ней белыми медведями и песцами плавает над Северным полюсом, а не лежит на дне океана. Неясно, каков был бы эффект, если бы дело обстояло иначе. Наверняка, если бы арктический лед тонул, началось бы постепенное накопление льда на дне океана, что охлаждало бы воду наверху, а с ней и всю атмосферу. Формировалось бы еще больше льда и так далее, пока океаны не стали бы полностью ледяными, мир превратился бы в гигантский снежный ком, и мы все погибли бы. Хотя я признаю, что это, пожалуй, все же немного мелодраматично. Во всяком случае, зимний лед на дне озер и ручьев точно привел бы к исчезновению многочисленных классов ракообразных, которые там живут.

Очевидно, что плотность замерзшей воды неизменна. Это фундаментальное физическое свойство, результат специфической химии воды. И эта особенность вовсе не счастливая случайность. Скорее, это результат движущей силы эволюции жизни на нашей планете. Если бы лед не плавал, нас почти наверняка бы здесь не было, и мы бы не обсуждали эту тему. Однако это, вероятно, последнее, что вы хотели бы слышать под звон кубиков льда в бокале, так что я предлагаю вам выбросить это из головы и насладиться напитком, прежде чем парадоксально плавающий в нем лед растает.

Чудесный насос восковой свечи

Возьмите спичку, чиркните ею и поднесите пламя к фитилю свечи. Через несколько мгновений свеча начнет мерцать, и оранжевое пламя оживет. Теперь оставьте свечу гореть, и со временем она станет короче. Ясно, что воск поглощается пламенем и используется в качестве топлива. Но теперь возьмите вторую свечу, вторую зажженную спичку и попробуйте поджечь саму свечу. Это сделать невозможно. Как бы вы ни старались, у вас не получится поджечь воск, из которого состоит свеча, но вы легко можете зажечь фитиль. Невероятно, но воск не воспламеняется.

Это, казалось бы, парадоксальное наблюдение поспособствовало появлению одной из самых ранних и увлекательных научно-популярных книг – «Химической истории свечи» Майкла Фарадея. Она составлена из заметок слушателей курса из шести лекций, прочитанных Фарадеем в 1848 году в ходе ежегодных Рождественских лекций в Королевском институте Великобритании. (Эта традиция – читать рождественские лекции – сохраняется по сей день.) Сам Фарадей был блестящим ученым, который открыл несколько химических элементов и изобрел электрический двигатель. Кроме того, многие считают, что именно он стоит у истоков такого явления, как популяризация науки. Фарадей обладал уникальным складом ума, так что как никто мог довести незамысловатое, но вполне научное наблюдение за свечой до поразительной глубины, просто ставя перед собой нужные вопросы.

Итак, при комнатной температуре воск является негорючим твердым веществом. Но пламя свечи обусловлено горением газообразной формы воска, или паров воска. Может быть, само по себе это и не удивительно, поскольку пламя явно не твердое и не жидкое. Но что делает свечу замечательной, так это то, что она представляет собой элегантный невидимый насос, преобразующий твердый воск в газ, который затем сгорает.

Фитиль свечи обычно делается из плетеного хлопчатобумажного материала, который сам по себе не горит особенно хорошо. Однако при наличии воска этот процесс протекает гораздо лучше и к тому же дает много тепла, которое высвобождает твердый воск внизу. Огонь плавит воск, превращая его из твердого вещества в жидкость, а жидкость затем поднимается вверх по фитилю под действием капиллярных сил. Когда жидкий воск приближается к горящей части фитиля, воск испаряется, переходя из жидкого состояния в газообразное. Этот горячий пар начинает подниматься, втягиваемый конвекцией воздуха вокруг него в пламя горящего фитиля. Теперь у нас есть восковой пар и большое количество кислорода из воздуха, а также источник воспламенения. Восковой пар сгорает, образуя большое пламя с большим количеством излучаемого тепла. Все больше твердого воска плавится и втягивается в фитиль. Природный насос, заключенный в свече, начал работать и будет работать до тех пор, пока не закончится воск или не погаснет пламя. Представленный таким образом, этот процесс кажется простым, но каждый его этап имеет свои замечательные тонкости.

Капиллярное действие – это интересное явление, возникающее из-за склонности молекул жидкости прилипать друг к другу и их способности прилипать к другим объектам. Это позволяет жидкости подтягивать себя «за свои собственные волосы». Для того чтобы капиллярное действие сработало, необходимо соответствие некоторых физических свойств жидкости, а именно ее поверхностного натяжения и плотности. В случае со свечой между нитями хлопка в фитиле есть узкие промежутки. Эти промежутки имеют подходящую ширину для подъема жидкого воска, поэтому фитили почти всегда изготавливают именно из хлопка. И поэтому все фитили на частично сгоревших свечах примерно одинакового размера. Именно негорючий жидкий воск в фитиле останавливает его полный подъем и сгорание в пламени. Так что высота, на которую воск поднимается в фитиле, определяется капиллярным действием и составляет около 1 см. То есть на такую высоту фитиль может возвышаться над воском.

Форма верхней части свечи также имеет решающее значение для успешного горения. Когда свеча горит уже некоторое время, наверху образуется знакомая лужица. Она представляет собой резервуар с жидким воском, готовым к тому, чтобы его втянул фитиль, на вершине которого воск испарится и сгорит. Если у вас не получается такой лужицы, значит, вы неправильно сделали свечу или ваша свеча слишком тонкая. Вместо того чтобы гореть хорошо, она будет оплывать и тухнуть, ведь в фитиле окажется меньше воска. Короче говоря, преимущества наличия лужицы воска бесспорны, и свечи, как правило, всегда делаются с минимальным диаметром около 1 см. В маленьких свечах, например в тех, что мы ставим в праздничные торты, лужицы не образуются: расплавленный воск просто стекает по бокам.

Пламя свечи тоже стоит рассмотреть повнимательнее. Непосредственно над фитилем и вокруг той его части, что возвышается над воском, пламя немного темнее. Это пары воска, не сгорающие из-за недостатка кислорода. Но по мере того как они поднимаются, с ними смешивается все больше кислорода, и мы попадаем в пылающую оранжевую часть пламени, где воск начинает гореть. Однако и в этой области кислорода все еще недостаточно, поэтому воск сгорает не полностью и оставляет часть углерода из воска в виде частиц, а не углекислого газа. Такой углерод становится очень горячим и оранжевым – вот почему верхушка пламени свечи обладает именно таким цветом. Есть в пламени и третья часть, хотя заметить ее очень сложно. Оранжевую область обрамляет почти невидимый сине-желтый слой глубиной около 2 мм. Чтобы увидеть его, попробуйте установить свечу на темном фоне и осветить ее сбоку. Внимательно посмотрите вдоль вертикальных краев и сможете обнаружить едва уловимую разницу во внешней стороне пламени. Это та область, где кислорода достаточно для полного сгорания свечного воска. Также это самая горячая часть пламени.

Есть и еще одна простая демонстрация, помогающая выявить некоторые свойства пламени свечи. Для начала зажгите свечу и подождите немного, чтобы пламя разгорелось и стало устойчивым. Затем с зажженной спичкой в руке осторожно задуйте пламя. Вы увидите струйку чего-то похожего на дым, поднимающуюся из потухшего фитиля, – но это не дым, а пары воска. Теперь быстро поднесите зажженную спичку к фитилю на расстоянии нескольких сантиметров и погрузите ее в поток паров воска. Как только вы это сделаете, пламя прыгнет от спички к фитилю и свеча мгновенно загорится вновь. Когда вы овладеете этим трюком, попробуйте использовать свечные щипцы, чтобы гасить пламя с минимальным возмущением воздуха (чтобы пары воска поднимались в строго вертикальном потоке). Попрактиковавшись, вы сможете заставить свечу загореться вновь с помощью спички, расположив ее на расстоянии до 5–6 см.

Вся эта наука и многие другие факты были подробно описаны в замечательной книге Фарадея «Химическая история свечи». Он не обошел вниманием и эксперименты, которые проводил с целью исследовать это, казалось бы, простое явление. Но при ближайшем рассмотрении «наука свечи» оказалась сложной. К счастью, книга Фарадея все еще издается, а также доступны цифровые копии, причем совершенно бесплатно. Так что ее определенно стоит прочесть.

03 Чудеса науки в домашнем быту

Прогресс технологии освещения

Это началось как ручеек, но превратилось в настоящее наводнение. Люди во всем мире массово отказываются от своих старых ламп накаливания в пользу новомодных компактных люминесцентных ламп. Правительства по всему миру принимают законы, запрещающие использование ламп накаливания. Бразилия и Венесуэла первыми вступили на этот путь еще в 2005 году, Австралия – в 2010 году, Великобритания – в 2011 году. На момент написания книги Россия, США и Китай уже тоже законодательно поддержали это начинание. Причина проста: лампы накаливания ужасно неэффективны как источник света. Они были представлены на рынке лишь потому, что не существовало экономически надежных конкурентов.

Традиционную лампу накаливания впервые продемонстрировал на практике не Томас Эдисон и даже не Джозеф Суон[15]15
  В 1878 году британец Джозеф Суон запатентовал лампу с угольным волокном, а в 1879 году аналогичный патент получил американец Томас Эдисон. Некоторое время эта лампа носила название «лампа Эдисона – Суона».


[Закрыть], а шотландец Джеймс Линдси в 1835 году в Данди. Хотя это изобретение значительно усовершенствовалось за почти 200 лет своего существования, лишь около 2 % энергии, поступающей в лампу накаливания, превращается в видимый свет. Сравните этот показатель с показателем ламп, на которые мы все постепенно переходим: компактная люминесцентная лампа преобразует в свет около 10 % энергии. Теперь понимаете, почему нас всех призывают сделать такой переход?

Компактная люминесцентная лампа представляет собой обычную люминесцентную лампу, свернутую спиралью, в некоторых случаях – заключенную во внешнюю стеклянную колбу. Наука, лежащая в основе ее работы, была известна с 1856 года, но только с инновационной намоткой и в результате миниатюризации эти лампы начали свой путь в наши дома в 1976 году. Трубка компактной люминесцентной лампочки заполнена инертным газом аргоном под очень низким давлением, но внутри трубки также есть крошечная капля жидкой ртути, которая нагревается и испаряется, когда через трубку проходит электрический ток ионов и, собственно, электронов. При этом электричество передает часть своей энергии атомам ртути. Ртуть может удерживать эту энергию совсем недолго, а потом быстро высвобождает ее в форме невидимого глазом ультрафиолетового света. Он в свою очередь попадает на белое порошкообразное люминофорное покрытие на внутренней стороне стеклянной трубки. Люминофор поглощает энергию ультрафиолетового излучения и, как и ртуть, быстро отдает ее, но на этот раз в форме видимого света. Свет современных компактных люминесцентных ламп имеет примерно ту же интенсивность, что и свет ламп накаливания. Но к числу пока не решенных серьезных недостатков относится сравнительно долгое время, которое требуется люминесцентной лампе для достижения максимальной яркости.

Обычно на это требуется от десяти секунд до минуты, и вот почему. Когда вы включаете люминесцентную лампу, внутри трубки очень мало паров ртути. Почти вся она находится в жидком состоянии. Что касается аргона, он не проводит электричество. Чтобы заставить ток течь по трубке, на каждом ее конце должна быть крошечная катушка провода. Когда электричество проходит по этим проводам, они нагреваются и выбрасывают электроны со своей поверхности в газ аргон. Также катушки нагревают ртуть, превращая ее в пар, и, только когда газ внутри лампы достигает критической точки ионизации, электричество принимается течь по трубке в штатном режиме. Затем ртуть начинает испускать ультрафиолетовый свет, который люминофор преобразует в видимый. Все это занимает некоторое время, так что лампа разгорается не сразу. Именно поэтому компактные люминесцентные лампы работают плохо вне помещений. Если воздух холодный, может потребоваться до пяти минут, чтобы лампа разгорелась полностью.

В последнее время появился ряд инноваций, которые способствуют более быстрому «запуску» компактных люминесцентных ламп. И все же никакие инновации никогда не смогут обеспечить им то мгновенное включение, которое предлагают лампы накаливания. Несмотря на это, пятикратное повышение КПД и вытекающая из этого колоссальная экономия энергии более чем компенсируют неудобства первых секунд включения. Однако уже появилась и новая технология – светоизлучающий диод и светодиодные лампы. В настоящее время лампочки, изготовленные на основе светодиодов, значительно дороже, но их эффективность в два раза выше, чем у компактных люминесцентных ламп. К тому же они мгновенно разгораются вне зависимости от температуры воздуха. Так что и у самóй компактной люминесцентной лампы, вытесняющей 200-летнюю лампу накаливания, нет никаких гарантий, что она будет вечно оставаться в центре внимания.