Физика в бане

Баня! Сколько теплых в прямом и переносном смысле воспоминаний вызывает это слово! В баню ходят не только для того, чтобы помыться. Это и отдых, и развлечение, и повод для общения. Но это повод и для физических размышлений.

"Дивное видел я в Славянской земле на пути своём. Видел бани деревянные, и разожгут их докрасна, и разденутся, и будут наги, и обольются квасом, и возбмут прутья молодые, и бьют себя сами, и того добьются, что вылезут еле живы, и обольются водой студёной, и так оживут. "

Так описывается баня в русских летописях Х I века. И по сей день любители бани с азартом "мучают" сами себя. Зачем? Говорят, что польза банных процедур связана с кратковременным воздействием на кожу высоких температур - горячего воздуха. Однако во влажном воздухе высокую температуру трудно выдерживать даже недолго. Так что в хорошей бане должно быть не только жарко, но и сухо. Не так-то просто построить хорошую баню, да и "приготовить" пар, то есть, говоря научным языком, создать оптимальный микроклимат, тоже надо уметь. Наши предки умели это делать ещё в Х I веке, а вот объяснить, почему в бане нужно поступать так, а не иначе, они бы, пожалуй, не смогли. Но мы знает достаточно, чтобы ответить на вопросы, которые задаёт любителям физики об ы чная парная. Начнём мы с того, что посмотрим как бы со стороны на банный

Итак, в баню! А чтобы лучше ориентироваться, будем пользоваться рисунком.

Вот мы уже в парной. Ну и жара. Что же, постоим немного внизу - здесь попрохладнее. Привыкли - можно и наверх. Горячо? Ничего, сейчас ещё не очень жарко, бывает и так, что на горячий деревянный пол босой ногой не встанешь, да и на скамье не посидишь. А если скамья сколочена железными гвоздями, то на неё не стоит садиться и в не очень жаркой бане: прикоснёшься голым телом к шляпке гвоздя - заработаешь ожог.

Вопрос 1. Почему в парной внизу холоднее, чем на полке'?

Вопрос 2. Почему при той же температуре, при которой ещё можно сесть на нагретое дерево, садиться на железо уже нельзя - обожжешься?

Постепенно мы привыкаем к парной. Воздух уже не кажется таким горячим. Однако чувствуется, что он сырой - на скамейке, на полу мокрые пятна. Это можно исправить. Нужно, как говорят, "поддать пару": взять кипятка и маленькими порциями, ковшиком, бросать его в печь на раскаленные камни. Сразу горячая волна пахнет из печи наверх, жарче станет на полке', жарче и суше; исчезнут мокрые пятна, высохнут пол и скамьи.

Вопрос 3. Почему, когда подбрасывают воду на горячие камни печи, в парной становится суше?

Вопрос 4. Почему нужно подбрасывать воду понемногу, а не вылить в каменку сразу шайку воды?

Вопрос 5. Почему нужно бросать именно кипяток, а не холодную воду?

. Но вот прошло больше часа. В парной побывало много народу, воздух уже не такой свежий, сырость, на полу листья от веников. Пора "чистить" парную. Это делается так. Все выходят минут на десять. За это время нужно подмести пол, окатить его водой из шланга; затем открыть настежь дверь в парную, снаружи около двери плеснуть на пол несколько шаек холодной воды; а потом начать поддавать пар. Свежий пар вытеснит старый, застоявшийся воздух парной. Теперь все готово, можно заходить и начинать все сначала.

Вопрос 6. Зачем нужна лужа холодной воды у входа в парную?

Вопрос 7. Почему свежий пар вытесняет старый воздух парной?

Итак, с правилами бани мы познакомились. Давайте отвечать на возникшие вопросы.

Первый вопрос очень прост, т ак что начнём со второго вопроса.

Что происходит, когда человек наступает или садиться на горячую скамью? Температура тела человека не больше 40 С, в то время как температура воздуха, а следовательно, и скамеек в хорошей парной от 80 до 120 С. При контакте начинается процесс передачи тепла от горячего тела (скамьи) к холодному (человеку). Как быстро идет процесс ? Это определяется, в частности, теплопроводностью горячего тела. Чем больше теплопроводность материала, тем быстрее передается тепло от его более нагретых участков к менее нагретым. У железа, как и у других металлов, теплопроводность значительно больше, чем у дерева, - примерно в 300 раз. Когда мы соприкасаемся с горячей деревянной скамьей, остывает та ее часть, которая находится вблизи зоны контакта, и нам передается тепло, "отнятое" у малого объема скамьи. Иное дело, если в зоне контакта окажется гвоздь: тепло будет быстро " подтягиваются " к точкам соприкосновения со всей длины гвоздя. Кроме того, объемная теплоемкость (то есть теплоемкость, рассчитанная на единицу объема ) у железа примерно в 40 раз больше, чем у дерева; так что при одинаковых условиях остывания мы от куска железа получим в десятки раз больше тепла, чем от куска дерева того же объема.

Теперь я думаю, вы сможете сами четко сформулировать ответ на вопрос 2. (Заметьте: мы ничего не говорили о теплопроводности и теплоемкости человеческого тела. Подумайте сами, какую роль играют эти характеристики в рассмотренном нами процессе. )

Чтобы ответить на следующие вопросы, давайте вспомним некоторые сведения из молекулярной физики, в частности - о водяном паре.

Вода, как известно, может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом- лед, жидком- собственно то, что мы и называем водой, и газообразном - пар. Что касается льда, то он прямого отношения к бане не имеет, а вот про воду и пар поговорим.

Вода может превращаться в пар- это испарение, а пар может превращаться в воду- это конденсация. При испарении воды поглощается тепло, а при конденсации той же массы пара выделяется такое же количество тепла. В атмосфере всегда имеется некоторое количество водяного пара. Например, в жилой комнате в 1 м воздуха обычно содержится около 10 г пара. Плотность водяного пара в воздухе называют абсолютной влажностью.

Поставим в комнате блюдце с водой. Вода будет испаряться и со временем вся превратиться в пар. При этом абсолютная влажность в комнате повысится, но не намного- объем комнаты обычно несколько десятков кубических метров, и если в блюдце было 10 г воды, то влажность увеличилась не более чем на 1 г/м. А если такое же блюдце поместить в сосуд объемом 1 л (10 в минус 3степени. кубических метров. ) и закрыть его? Количество воды в блюдце будет уменьшатся до тех пор, пока пар в сосуде не станет насыщенным. А это произойдет тогда, когда число молекул , вылетающих из воды за единицу времени, и число молекул , переходящих за единицу времени из пару в воду, сравняются. И с этого времени абсолютная влажность воздуха в сосуде не будет изменяться. (Разумеется, мы имеем в виду, что температура сосуда все время остается постоянной. )

Таким образом, при каждой температуре существует максимальная абсолютная влажность воздуха, равная плотности насыщенного водяного пара при этой температуре. Чем выше температура, тем больше значение плотности насыщенного пара.

Понятно, что чем меньше абсолютная влажность воздуха по отношению к максимально возможной при данной температуре, тем интенсивнее идет испарение воды. Отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при данной температуре называют относительной влажностью, ее измеряют в процентах. Поскольку давление пара пропорционально его плотности, относительную влажность можно определить по-другому: это есть выраженн ое в процентах отношение парци ально е давления водяного пара к давлению насыщенного пара при данной температуре.

Давление насыщенного пара, так же как и его плотность, тем больше, чем выше температура.

Повышение абсолютной влажности при постоянной температуре воздуха ведет к увеличению относительной влажности. И если при неизменной абсолютной влажности температура воздуха понижается, то относительная влажность будет расти. При некоторой температуре она достигнет 100% - пар в воздухе станет насыщенным, начнется его конденсация (появится туман, выпадает роса ). Температуру, при которой это происходит, называют точкой росы.

А если увеличивается абсолютная влажность и растет температура? Тогда относительная влажность будет зависеть от того, что растет быстрее: плотность пара в воздухе или давление насыщенных паров.

Ну а теперь вернемся к нашим вопросам.

Мы выяснили, что скорость испарения определяется не абсолютной влажностью, а относительной. Если при подбрасывании кипятка в каменку в парной становится суше, значит , относительная влажность уменьшается (а абсолютная, конечно, увеличивается). Почему это происходит? Когда небольшое количество воды с силой бросают в печку, она разбрызгивается в маленькие капельки. Попадая на камни, разогретые до температуры в сотни градусов, капельки мгновенно испаряются, превращаясь в пар, температура которого сравнима с температурой самих камней. Раскаленный пар вырывается из печки, общая темп ература воздуха в парной повышае тся. Более высокой температуре соответствует более высокая плотность насыщенного пара, и, значит, даже с учетом увеличения абсолютной влажности, относительная влажность может уменьшатся. Это и происходит на самом деле.

Понятно, почему нужно бросать воду именно маленькими порциями. Большая порция упадает на камни сравнительно большой "каплей". Такая "капля" не сможет испарится так быстро как маленькая, а просто начнет кипеть, образуя пар с температурой 100С или, может быть, немного выше. Но нас это не устроит. Весь секрет в быстротечности процесса! По этой же причине нельзя бросать холодную воду. Ведь у камня довольно низкая теплопроводность, поэтому даже маленькая капля, пока будет нагреваться до 100С, успеет несколько охладить ту часть камня, с которой соприкасается, а значит, и температура образующегося пара упадет.

Итак, на вопросы 3, 4 и 5 мы ответили. Вопрос 6 для нас теперь не сложен. Вблизи лужи температура ниже, че м точка росы. Поэтому выходящий из парилки "отработанный" пар начинает быстро конденсироваться. как говорят "садиться" на луже. В хорошей парилке дверь и печь расположены в разных концах; горячий пар, образующийся у камен ки , пройдя всю парилку , охлаждается и конденсируется на выходе. 7 вопрос п очему свежий пар вытесняет старый воздух в парной? Вспомним, что при "чистке" парной в печь набросали несколько шаек кипятка, то есть не меньше 10кг воды. Температура образовавшегося из этой воды пара- около 300С. При такой температуре и при давлении в 1 атмосферу 10кг водяного пара занимали бы объем более 25м. Можно сказать, что мы в течение небольшого времени ввели в помещение такое количество пара, которое само занимает примерно 1/3 объема этого помещения. Пар этот горячий, поэтому он подымается вверх и вытесняет старый воздух вниз. Итак перейдем из парной в душ!

Вопрос 8. Заряд в душевой. Когда вы принимаете душ, разбрызгивающаяся вода создает в помещении отрицательный заряд. Напряженность электрического поля при этом достигает 800 В/им. Аналогичные поля обычно обнаруживаются вблизи естественных водопадов. Почему возникают эти поля?

Вопрос 9. Отрицательный заряд дарит блаженство. Бытует мнение, что, попав в область отрицательного заряда, например под душ, человек испытывает невероятное блаженство. Итак, отрицательный заряд делает вас счастливыми, а положительный вызывает неприятные эмоции. Не исключено, что то удовольствие, которое мы получаем от душа, в равной мере обусловлено как ощущением собственной чистоты, так и отрицательным зарядом, возникающим в ванной. Как объяснить такое «эмоциональное воздействие» положительных и отрицательных зарядов?

Ответ на 8 вопрос: почему при дроблении воды на капли происходит разделение зарядов, пока окончательно не выяснено, однако еще в XIX веке Ленар показал, что более крупные капли в брызгах воды заряжены положительно, а капли поменьше – отрицательно. Поскольку большие капли оседают быстрее, воздухе остаются отрицательно заряженные маленькие капельки, которые создают довольно значительное электрическое поле.

Ответ на 9: влияние электрических зарядов на организм человека пока не получило достаточного объяснения.

В работе представили описание физических процессов в бане, дали объяснения многим забавным физическим вопросам, так что в баню ходят не только для того, чтобы помыться. Это и отдых, и развлечение, и повод для общения.