Физики показали, как замерзает мыльный пузырь

Физики из США экспериментально исследовали замерзание мыльных пузырей, выделили два основных сценария замерзания и объяснили их теоретически. 

Как передает НАРОДНАЯ ПРАВДА, об говорится в статье, опубликованной в Nature Communications.

Если мыльный пузырь окружен холодным воздухом, то вода в стенке начинает замерзать, но ее кристаллики не остаются на месте, а уходят в сторону за счет эффекта Марагони. Эффектом Марагони (в честь описавшего его итальянского физика) называют течение, возникающее из-за разности сил поверхностного натяжения — оно растаскивает кристаллики льда, и пузырь начинает замерзать одновременно в нескольких местах. В морозильной камере с температурой -25 ℃ пузырь замерз и остыл до температуры окружающей среды меньше, чем за полминуты: определить это удалось при помощи показывающего температуру предметов тепловизора.

Как показал анализ ученых, в основном потоки возникают за счет теплового эффекта Марангони, то есть жидкость перемещается за счет тепла, которое высвобождается при замерзании раствора около подложки. Остальными потоками, которые могли бы возникнуть за счет перепада концентраций раствора, изменения кривизны поверхности или всплывания нагретой жидкости, можно пренебречь. Кроме того, ученые отмечают, что рост отдельных кристалликов льда, разнесенных по поверхности пузыря, сводится к широко известной задаче Стефана, которая описывает замерзание переохлажденной жидкости.

Другой случай, который изучили физики — замерзание при комнатной температуре воздуха и контакте с холодной поверхностью. Взяв элемент Пельтье (полупроводниковый прибор, который при пропускании тока с одной из сторон сильно охлаждается), ученые увидели, как стенка пузыря начинает медленно замерзать в месте контакта с холодом и потом постепенно превращается в лед целиком. Замерзание проходило за счет теплопроводности стенок, и это оказался намного менее стремительный процесс: даже небольшой, около сантиметра в диаметре, пузырь через полминуты замерзал от силы на треть от всей поверхности. Более того, спустя десять минут верхушка пузыря оставалась комнатной температуры — что логично, если учесть низкую теплопроводность очень тонкой стенки.

Таким образом, ученые установили, что так называемый «эффект снежного шара», при котором кристаллики льда кружатся по поверхности пузыря, возникает за счет теплового эффекта Марангони.

На вопрос о том, зачем потребовалось изучать пузыри, физики отвечают так: это красиво, и не только с точки зрения внешнего вида замерзающего мыльного пузыря. Стоящая за явлением физика (то, что скрытая теплота кристаллизации расталкивает растущие кристаллы) тоже оказалась достаточно нетривиальной и, как указывают исследователи, долгое время ученым не удавалось найти детального объяснения феномена.

Источник: narodna-pravda.ua

Новости портала «Весь Харьков»