Когда открывают бутылку охлажденного газированного напитка, на расширение выходящего через горлышко бутылки газа требуется энергия. Расширение происходит так быстро, что единственный источник энергии — тепловая энергия газа. Таким образом, газ, теряя тепловую энергию, охлаждается, благодаря чему водяной пар в расширяющемся газе превращается в капельки воды. Эти движущиеся в воздухе капельки и являются тем небольшим туманным облачком, которое мы видим над горлышком бутылки.

Почему в холодные зимы в домах лопаются водопроводные трубы? Почему чаще лопаются трубы, по которым течет горячая вода?

ОТВЕТ • При постоянной системе водоснабжения трубы рвутся, когда образовавшийся лед закупорит воду в перекрытом вентилем звене трубы. Если лед продолжает намерзать на такую пробку, замерзающая вода расширяется, и закупоренная в звене трубы вода оказывается под давлением. Постепенно давление возрастает настолько, что труба разрывается. Вероятность такого происшествия больше в трубе с горячей водой. Это связано с тем, как в трубе замерзает вода. Теоретически вода замерзает при 0°C, но на практике, чтобы вода замерзла, ее температура должна быть на несколько градусов ниже. Такая жидкость называется переохлажденной.

Холодная вода из-под крана содержит большое число примесей, которые могут служить центрами зародышеобразования. Если вода переохлаждена на несколько градусов, при дальнейшем отводе тепла начинают образовываться кристаллики льда. Сначала образуется напоминающий листья папоротника дендритный лед, растущий в неподвижной воде. После образования льда внутри на стенке трубы образуется ледяное кольцо, постепенно растущее вдоль радиуса внутрь трубы до тех пор, пока ледяная пробка не запрет окончательно трубу. У воды, остающейся между нарастающим льдом и закрытым вентилем, достаточно времени, чтобы стравить давление, обусловленное расширением воды во время роста ледяного кольца.

Горячая вода в трубе замерзает сходным образом, однако образование дендритного льда происходит существенно позже, иногда на несколько дней позже, чем в трубе с холодной водой. Дело в том, что при нагревании из воды удаляются многие примеси, которые могли бы служить центрами зародышеобразования при замерзании. Поэтому горячую воду в трубе можно переохладить до существенно более низкой температуры, чем холодную воду. Когда же наконец вода начинает замерзать, дендритный лед, прорастая вдоль радиуса внутрь трубы, быстро запирает ее. Если затем лед продолжает расти внутри трубы, расширяющаяся при замерзании вода между ледяной пробкой и вентилем оказывается под очень большим давлением. В итоге где-то между пробкой и вентилем труба или сочленение труб лопается, хотя сама труба в этом месте может даже оставаться теплой.

Разрыв позволяет вытечь воде, зажатой на этом участке, что само по себе не обязательно приведет к большим неприятностям. Однако, если его не заделать до того, как ледяная пробка растает, последствия могут оказаться значительными. Чтобы этого избежать, жители стран с очень холодным климатом часто зимой оставляют краны чуть приоткрытыми, чтобы при росте ледяной пробки вода просто вытекала через открытый кран, не приводя к росту давления.

В некоторых ситуациях ледяная пробка может оказаться полезной. Например, она может сыграть роль временного вентиля на нуждающемся в починке участке трубы, который починить надо, но всю систему, как, например, в больнице или в жилом районе, отключить от водоснабжения нельзя.

Иногда требуется пустить воду по холодной трубе, из которой раньше воду слили (например, чтобы починить). Проходя через трубу, первая порция воды может отдать тепло стенкам трубы и охладиться до температуры замерзания. Более вероятно, что это произойдет, если труба закопана в землю, а не проложена поверху: от стенок трубы, окруженной землей, тепло отводится быстрее, чем если трубу окружает воздух. Если температура стенок трубы всего на несколько градусов ниже точки замерзания, вода может переохладиться, а затем быстро появится дендритный лед, который перекроет трубу. Однако если труба существенно холоднее (ниже допустимого значения температуры переохлаждения воды), роста дендритного льда не происходит. На стенках трубы образуется ледяное кольцо, но вода продолжает течь.

Почему, когда вы дотрагиваетесь до холодной деревянной палки или холодной металлической трубы той же температуры, труба кажется холоднее? Почему рука может прилипнуть к трубе? В фильме «Рождественская история» один из детей решается лизнуть холодную трубу. И убеждается в том, что язык к трубе примерзает. Это правило следует хорошенько запомнить: нельзя лизать холодную трубу. И вообще холодный металл.

ОТВЕТ • Ощущение холода, которое вызывает у нас тот или иной предмет, во многом определяется скоростью, с которой тепло передается от пальцев этому предмету. Металл проводит тепло гораздо лучше дерева, поэтому при одной и той же температуре металл кажется холоднее.

Палец прилипает к холодному металлу, поскольку имеющаяся на коже жидкость попадает на холодную поверхность, быстро отводящую тепло, и мгновенно замерзает. Язык влажнее пальцев, и поэтому он примерзает еще сильнее. Если полить водой пальцы, прилипшие к металлу, лед растает, пальцы или язык будут спасены.

Почему холодной зимой почва вздыбливается и образуются ухабы? Этот эффект называется пучение при замерзании. Такие ухабы не только могут повредить мостовую, но и представляют опасность для автомобилистов, двигающихся на высокой скорости. Можно предположить, что пучение — просто результат расширения воды при замерзании, но, поскольку увеличение объема в этом случае только около 10%, это как будто не может объяснить образование больших ухабов.

Почему при холодной погоде разрушаются скалы? Необходимы ли несколько последовательных циклов замерзания-таяния, чтобы скала разрушилась?

В чем причина образования пинго — конических холмов в зонах вечной мерзлоты? Некоторые пинго очень большие: их высота достигает 40 м, а диаметр — 200 м.

ОТВЕТ • Когда температура верхнего слоя почвы (или слоя почвы сразу под полотном дороги) опускается ниже точки замерзания, какая-та часть воды в порах между частицами почвы замерзает и расширяется. Так при замерзании начинают образовываться ухабы (происходит первичное пучение). При уменьшении количества жидкости уменьшается и давление оставшейся жидкости. Жидкая вода несколько ниже верхнего слоя почвы находится под большим давлением, и поэтому она начинает подниматься вверх к замерзшему слою. Прибывающая жидкость тоже замерзает и расширяется, что приводит к вторичному пучению. Ухабы при вторичном морозном пучении значительно выше, и на состояние дорог они влияют гораздо сильнее.

Во многом разрушение дорог связано с таянием льда на них и под ними. При таянии гравий под полотном дороги насыщается водой. Когда легковая машина (или, хуже того, тяжелый грузовик) едет по дороге, ее вес существенно увеличивает давление в воде, так что она поднимается вверх непосредственно под покрытие дороги. Для того чтобы сломать мостовую, этого давления может оказаться достаточно. Идущие следом машины еще больше разбивают покрытие, образуются выбоины, постепенно становящиеся все более глубокими. Под действием веса машин на дорогах с тонким или слабым покрытием образуются канавы и ямы. При езде по такой дороге машины трясет. Каждый раз, когда автомобиль надавливает на покрытие такой дороги, он способствует образованию нового углубления. Через какое-то время дорога будет напоминать старую волнистую стиральную доску, о которую когда-то терли белье при стирке.