Разрушительная сила нагретой воды: молекулярно-кинетическое объяснение взрывов паровых котлов

Предыдущий опыт продемонстрировал, как охлаждение воды до замерзания в прочном сосуде приводит к его разрушению. Однако здравому смыслу гораздо труднее принять тот факт, что противоположное условие — интенсивное нагревание воды — способно вызвать аналогичный эффект. Тем не менее, это явление хорошо известно и находит свое подтверждение в частых и разрушительных взрывах паровых котлов. Для демонстрации разрывной силы горячей воды в лабораторных или домашних условиях требуется соблюдение строгих мер предосторожности, чтобы избежать травм.

Для безопасного проведения опыта целесообразно использовать сосуд с заведомо ослабленной частью, что позволит контролировать направление разрыва. Удобным инструментом служит прочный железный цилиндр, закрытый медной пластинкой, уже применявшийся в экспериментах с замерзанием. При достаточном нагреве вода разрывает крышку точно так же, как это делал лед в процессе кристаллизации. Внезапное образование пара при этом безопасно, если отверстие цилиндра направлено в сторону от экспериментатора.

Если заполнить цилиндр водой лишь частично, разрушение крышки произойдет не столько из-за теплового расширения жидкости, сколько вследствие колоссального давления пара. Оба типа взрывов можно наглядно продемонстрировать на одном приборе. Чтобы гарантированно получить эффектный взрыв во втором случае и успокоить нервного экспериментатора, рекомендуется заменить медную пластинку резиновой перепонкой, что сохранит силу звука, но снизит риски разлета осколков.

Для поверхностного объяснения разрушительного действия нагретой воды или пара достаточно было бы указать на универсальное свойство тел расширяться при повышении температуры. Прочный сосуд способен сдерживать это расширение лишь до тех пор, пока внутреннее давление не превысит предел прочности его стенок. Как только этот порог пройден, происходит разрыв, а вызванное внезапным расширением газов сотрясение воздуха воспринимается нами как звук взрыва.

Однако, чтобы сформировать более точное и глубокое понимание процессов, происходящих в жидкости и паре, следует обратиться к учению, разделяемому современными физиками. Согласно этой теории, механическое действие тепловой энергии следует представлять как энергию движения мельчайших частиц материи. Мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства, называются молекулами. Таким образом, тепловое состояние тела — это результат колебательных движений его молекул.

В свою очередь, молекулы состоят из атомов. При химических реакциях, то есть при перегруппировке атомов, часто возникает или поглощается теплота. Это объясняется тем, что не только молекулы в целом совершают тепловые колебания, но и атомы внутри них также находятся в движении. При химических процессах это незаметное внутримолекулярное движение атомов может превращаться в молекулярное движение, то есть в теплоту, и наоборот.

Вернемся к молекулярным (тепловым) колебаниям. Их интенсивность и скорость возрастают по мере нагревания тела. В твердых телах молекулы связаны взаимным притяжением и колеблются возле фиксированных положений, хотя и обладают некоторой свободой перемещения. При нагревании амплитуда их колебаний увеличивается, толчки друг о друга становятся сильнее, и молекулы стремятся удалиться — это и есть причина теплового расширения.

При достижении определенной температуры (точки плавления) колебания становятся настолько сильными, что молекулы преодолевают силу взаимного притяжения. Упорядоченная структура разрушается, и вещество переходит в жидкое состояние, где молекулы двигаются почти независимо. В закрытом котле нагрев воды усиливает молекулярную активность до тех пор, пока самые быстрые молекулы не вырываются с поверхности, образуя над жидкостью пространство, заполненное паром.

Эти молекулы пара с большой скоростью носятся в ограниченном объеме, непрерывно ударяясь о стенки сосуда и друг о друга. Именно эти бесчисленные удары, суммируясь, создают огромное давление, способное разрушить котел. Наглядной аналогией служит дождь из камней: один камень, брошенный в дверь, не даст эффекта, но непрерывный град из тысяч камней создаст постоянное и мощное давление, способное закрыть или сломать дверь.

Каждая отдельная молекула ничтожно мала, но на каждый квадратный сантиметр поверхности стенок котла приходятся миллиарды ударов в секунду. Общее давление тем выше, чем быстрее движение молекул, то есть чем выше температура. Если пар не находит выхода из-за засоренной трубы или неисправного предохранительного клапана, напор молекул в конце концов преодолевает прочность металла в самом слабом месте, что и приводит к катастрофическому взрыву котла.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.