Можно ли вскипятить воду звуком? Или Новогодний эксперимент!

Подробности

Обновлено 18.07.2018 17:18

03.01.2017

Если у вас не работает электрический чайник, плита и кончились спички, но зато в Новогоднюю ночь во всю силу гремит музыка…
Давайте зададимся вопросом: можно ли вскипятить воду, используя звук?

Однажды для проведения подобного эксперимента воду залили в кубовидной контейнер, а в качестве источника звука применили обычный динамик.
На рисунке показано, что источник звука расположен слева.

Здесь: Is - интенсивность звука от источника,
I - интенсивность звука, выходящего из контейнера,
L - длина сосуда.

Конечно, звук при прохождении через толщу воды будет ослаблен. Ослабление звука на выходе дает нам возможность утверждать, что какая-то часть звуковой энергии идет на нагревание воды в контейнере.
Уровень интенсивности звука по логарифмической шкале определяется уравнением:

(1)

Где Is - интенсивность звука источника,
Io -это базовый уровень интенсивности звука, соответствующий порогу слышимости.
Для расчета интенсивности звука Is источника используем уравнение:

(2)

Где Ps – мощность источника звука,
A - площадь поперечного сечения контейнера для воды.

Масса налитой в контейнер воды равна 500 мл. Зная массу воды и ее плотность равную 1000кг/м3, определили объем контейнера.
Если длина контейнера для воды L = 10см, то используя приведенные выше значения и формулу объема V=АL , определили AL - площадь поперечного сечения контейнера равной 5×10-3 м2.

Потребляемую мощность, то есть мощность идущую на нагрев воды при прохождении звука через толщу воды в контейнере рассчитали следующим образом:

(3)

где Pabs - мощность, поглощаемая водой в контейнере,
Ps - мощность источника звука,
PL - мощность звука на выходе из контейнера.
Изменение интенсивности звука можно показать, как:

(4)

где альфа - это коэффициент поглощения. Тогда мы можем интегрировать это уравнение следующим образом:

(5)

С помощью этого уравнения и уравнения (2), выражение для мощности звука на выходе из контейнера будет выглядеть следующим образом

(6)

Подставляя уравнение (6) в уравнение (3), мы получим мощность источника звука

(7)

Подставляя уравнение (7) в уравнение (2), выразим интенсивность звука источника

(8)

Потребляемая водой мощность может быть определена с помощью следующего уравнения,

(9)

Где Q - это переданная воде энергия, а t - время, необходимое для того, чтобы вода вскипела.
Энергия, переданная в кипящую воду, может быть рассчитана с помощью уравнения:

(10)

Где m - масса воды, с - удельная теплоемкость воды, Tf – конечная температура воды, а Ti - начальная температура воды. Изначально масса воды составляла 500 мл, а комнатная температура 293 К. Температура кипения воды 373 К. Таким образом, изменение температуры составляет 80 К. Удельная теплоемкость воды C = 4,18 кДж-1 кг-1к-1.

Подставив эти значения в уравнение (10), определяем значение энергии, переданной воде Q = 167,200 Дж. Время, за которое вода была доведена до состояния кипения, было измерено секундомером и составило 83 секунды.
Подставив значения Q и t в уравнение (9), рассчитали потребляемую водой мощность, которая оказалась равна 2016 Ватт.

В этом эксперименте коэффициент поглощения оценивается в 0,01 м-1.
Подставляя значения для Pabs, площади поперечного сечения A и длины L в уравнение (8), получили значение интенсивности звука источника равным Is = 403.4×106W/м2.
Далее подставляя значение для интенсивности источника звука Is в уравнении (2), получили уровень интенсивности исходного звука от источника равным 206 дБ.

Для сравнения!
И что вы думаете, интенсивность звука при запуске ракеты на стартовой площадке космодрома составляет всего-то 180 дБ!
Для нашего же эксперимента кипячения пол-литровой банки воды с помощью звука потребуется звук интенсивностью 206 дБ!

Делаем вывод:
Вскипятить воду с помощью звука можно, но осторожно!))

Конечно, кипячение воды с помощью этого метода не очень-то целесообразно и практически не представляется возможным, т.к. интенсивность необходимого звука должна быть даже выше, чем при запуске ракеты на стартовой площадке!

Именно к такому выводу и пришли студенты Факультета физики и астрономии университета Лестера в Великобритании, поставившие этот эксперимент, результаты которого после рецензирования преподавателями этого университета были опубликованы в научном журнале Physics Special Topics.


Источник: Journal of Physics Special Topics, 2015