Чому охолоджуються газові балончики
Якщо ви коли-небудь використовували балончик зі стисненим повітрям, також званий газовим розпилювачем, для очищення вашої клавіатури від крихт, то ви, ймовірно, помічали, що через деякий час повітря, що виходить з балона і навіть сам балон можуть стати дуже холодними.
Настільки холодними, що на балончику навіть є попередження про ризик обмороження!
І для цього є причина.
Легко припустити, що стиснене повітря охолоджується, коли виходить з балона і розширюється.
Але це не зовсім так.
Газ, що розширюється, може ставати як теплішим, так і холоднішим.
І реалізація того чи іншого варіанту залежить від способу, яким газ розширюється.
І якщо ми застосуємо відповідне рівняння для нормального розширення газу, то вирахуємо, що температура газу всередині газового балона повинна знизитись від кімнатної до -100° за Цельсієм.
А це набагато нижче, ніж температура газу, що виходить з газового балона.
Таким чином газ не розширюється так, як повинні розширюватися гази в нормальних умовах.
Це було б так, якби ми відрізали верхню частину банки й дозволили газу розширюватися вільно в усіх напрямках.
Але ж насправді газ витісняється через крихітний клапан.
Ця відмінність є ключовою.
Газ, що проходить через клапан, не просто розширюється, а ще й підштовхується рештою газу.
І цей тиск позаду дає газу достатньо теплової енергії, щоб по суті протидіяти охолодженню у зв’язку із розширенням.
З точки зору рівняння стану ідеального газу це означає, що об’єм збільшується прямо пропорційно зниженню тиску.
Таким чином, добуток об’єму і тиску є практично сталою величиною, і температура теж залишається майже незмінною.
Але, не зовсім.
Більшість газів при кімнатній температурі стають трохи холоднішими при проходженні через клапан.
Хороша демонстрація цього процесу — випускання повітря з велосипедної шини.
Клапан стає холоднішим, але не набагато.
Аналогічним чином, газ, що виходить з балона зі стисненим повітрям, трохи остигає, проходячи крізь сопло.
Але це не може бути єдиною причиною охолодження?
Я маю на увазі, що сам балон можна охолодити набагато більше, ніж це можна пояснити розширенням в клапані.
Справжня причина суттєвого охолодження криється в попереджувальних написах на балонах зі стисненим повітрям, де вказано, що не можна струшувати балони, або розпилювати їх догори дном.
Якщо ви струснете балончик, то одразу зрозумієте, що там всередині є не лише газ, там також є рідина.
Рідкий 1,1-діфлуоретан, який є газом за нормальних температури й тиску, але зріджується при тиску в 6 разів більшому.
І це найважливіший компонент в цих балончиках зі стисненим повітрям.
Всередині банки діфлуоретан міститься у вигляді як рідини, так і газу, що перебувають в рівновазі.
Частина рідини випаровується, утворюючи пару із тиском у 6 атмосфер у верхній частині банки.
І за таких умов решта речовини залишається в рідкому стані.
І через те, що тиск в балоні в 6 разів більший за атмосферний, діфлуоретан після відкриття клапана виривається неперервним потоком.
Але це означає, що тиск пари всередині посудини знижується, тож рідина закипає.
І кипить доти, доки тиск газу в балоні знову не досягне значення у 6 атмосфер, що відновить рівновагу між парою і трохи меншою кількістю рідини.
Таким чином, балон може продовжувати утворювати потік газу постійною сили, навіть, коли він майже порожній.
Але, що більш важливо для нашого температурного парадоксу, то це те, що перехід від рідкої фази до газової вимагає дуже багато енергії.
І ця енергія повинна звідкись взятися.
Так само, як випаровування поту відбирає теплову енергію у вашої шкіри, охолоджуючи її, всередині посудини зі стисненим повітрям саме випаровування, а точніше кипіння відбирає енергію в рідини, охолоджуючи її.
Важливо зазначити, що розпилення 10% вмісту посудини призведе до охолодження залишку рідини приблизно на 20° за Цельсієм.
Якщо охолодження рідини під час кипіння здається контрінтуїтивним, погляньте на звичайну скороварку.
Вода, зазвичай, кипить за температури 100° за Цельсієм.
Але при герметизації тиск пари підвищується, дозволяючи воді в такій каструлі залишатися рідкою за суттєво вищої температури.
Так само, як діфлуоретан в балоні.
Випускання водяної пари з сопла скороварки знижує тиск усередині, дозволяючи трохи більшої кількості води википіти, знизивши таким чином температуру решти рідини.
Так само, як і у випадку з діфлуоретаном в нашому балоні.
І, якщо ви продовжуватиме випускати пару, то зрештою вода охолоне до температури кипіння у 100°.
І так само, як ви продовжували розпилювати вміст балона зі стисненим повітрям, діфлуоретан всередині охолоне до температури кипіння за нормального тиску — до -25° за Цельсієм.
Балон зі стисненим повітрям фактично є діфлуоретановою скороваркою.
І так само, як не варто трясти скороварку, чи перевертати її до гори дном, якщо ви не хочете розбризкати перегріту воду повсюди, балони зі стисненим повітрям не працюють правильно, якщо їх повернути на бік, або перевернути.
Замість розпилення газу, ви будете розбризкувати рідину, яка міститься під високим тиском усередині балона, тож вона одразу дуже швидко випарується і різко охолоне, знижуючи температуру поверхонь чи тіл, на які потрапить.
Діфлуоретан може розчинятися у воді, але він є отруйним, тому не використовуйте такий лід ні для чого, пов’язаного з харчовими продуктами.
Отож, усвідомлюючи усі відомості, причина охолодження балончиків зі стисненим повітрям наступна: вони насправді не є посудинами зі стисненим повітрям, це балони зрідженого під високим тиском діфлуоретану, і зниження тиску всередині балона шляхом розпилення газоподібного вмісту змушує рідину кипіти, охолоджуючи ту її частину, що залишається.
Я люблю вивчати фізику звичайних речей.
Я маю на увазі, чорні діри й квантова механіка — це теж круто.
Але вони не настільки відчутні або впізнаванні, як речі, з якими ми взаємодіємо постійно.
