Что происходит внутри гейзерной кофеварки и как готовится хлеб? Объясняют студенты-физики

На бакалаврской программе «Физика» есть предмет, где студенты регулярно читают интересные статьи, а потом подробно объясняют их суть своим однокурсникам. Иногда ребята свежим физическим взглядом смотрят на вещи, к которым давно привыкли, — на кофеварку и хлеб. Второкурсники Николай Деркач и Вероника Войтович объяснили, что происходит под крышкой хлебопечки и как приготовить кофе в гейзерной кофеварке с опорой на термодинамику.

iStock

Николай Деркач заглянул под крышку хлебопечки

И все-таки — почему хлеб

В середине января Игорь Евгеньевич Шендерович предложил нам для изучения 20 статей по термодинамике — из них нужно было выбрать одну,чтобы потом рассказать перед однокурсниками. Темы самые разные: от детального изучения второго закона термодинамики и его математического вывода до модели застежки-молнии для двухцепочных молекул.

Мне всегда — да и сейчас — больше нравилось что-то прикладное, возможно, меня вдохновили лабораторные работы с Иваном Сергеевичем Маховым: здорово, когда можно проверить законы экспериментом. Как-то раз я разбирал статью про принцип домино — рассматривал процесс падения доминошек с точки зрения законов механики. И когда увидел статью про выпекание хлеба, сразу захотелось взять именно ее. Ведь ем же я хлеб, а о том, как именно он получается, — не знаю.

Стоит сказать — на статью про хлеб даже был небольшой конкурс: она всем страшно понравилась, но я обошел своих однокурсников, когда пообещал не только объяснить материал, но и приготовить хлеб. А обещания надо выполнять… И хлеб я действительно испек — в хлебопечке, которую благодаря удачному стечению обстоятельств купил за невероятную сумму в 46 рублей. Буханку с хлебопечкой я  принес прямо на свой рассказ  — и все сразу оживились. Хлеб мы потом благополучно съели — на обычный он был не очень похож, скорее на манник, но и делал его я всего дважды. А теперь разберемся по науке с тем, как он готовился.

Что происходит с тестом

Чтобы понимать, что происходит с тестом с физической точки зрения, нужно знать его состав. Грубо говоря, это на две трети — мука и на треть — вода. Сам хлеб готовится за счет испарения от 0,5 до 5 % воды в тесте. Здесь мы ступаем на территорию допущений: берем и говорим, что во всем тесте избыточное содержание воды одинаковое, а у готового хлеба оно равняется нулю. Понятное дело, вода в хлебе испаряется далеко не вся — иначе получился бы сухарь. Но что же происходит в хлебопечке?

Когда мы закинули все ингредиенты в прибор и включили его, поток тепла передается от хлебопечки к тесту. Первым делом образуется корочка  а затем поток тепла движется к центру, по пути испаряя воду. Чем ближе к центру, тем меньше поток, а значит, и скорость испарения. 

Основываясь на движении потока, можно составить систему динамических уравнений. С помощью их численного интегрирования получится, что в зависимости от количества избыточной воды отличается время готовки, причем эта зависимость имеет линейный характер:  в частности получается, что если избыточное содержание воды равняется 2 %, то хлеб будет готовиться около часа, а если увеличить его до 5 %, то и готовка станет на полтора часа дольше.

Вероника Войтович изучила работу гейзерной кофеварки

Что нужно было учесть

Основная задача — выяснить, при каких условиях можно приготовить кофе в гейзерной кофеварке при 90–95 градусах Цельсия. Диапазон выбран неслучайно: физик-технолог Эрнесто Илли написал, что именно при такой температуре вкус кофе — лучше всего. Если температура будет выше, кофе будет горчить, а если ниже — то не все нотки раскроются. 

Теоретические данные из статьи я проверила экспериментально. Совпало не все, но это нормально: слишком много факторов нужно учесть — и помол кофе, и объем воды в кофейнике… Итак, давайте разберемся, что же все-таки происходит с гейзерной кофеваркой.

Немного о самой кофеварке

Для начала разберемся, как выглядит гейзерная кофеварка изнутри. Нижняя часть — сосуд высокого давления, туда мы заливаем воду какой-то начальной температуры. Потом закрываем емкость, засыпаем кофе в маленькую воронку и ставим кофеварку на плиту. Вода в нижней части кофеварки нагревается, давление над поверхностью воды повышается и вытесняет нагретую воду из сосуда высокого давления. Затем вода по трубочке проходит через молотый кофе и собирается в  верхней части кофеварки.

Что происходит в кофейнике

Давление паров воды в сосуде растет, когда она греется. Воспользуемся уравнением Клапейрона-Клаузиуса, проинтегрируем его и найдем зависимость давления насыщенного пара от температуры воды. 

Важно — нижний сосуд нельзя полностью заполнять водой, нужно оставить место. Иначе перекроем клапан сброса давления, кофеварка перегреется и произойдет авария. Поскольку в сосуде осталось свободное пространство, там есть молекулы воздуха без водяного пара. Когда давление начнет вытеснять из сосуда воду, то объем, доступный для воздуха, станет больше. А следовательно, вырастет и парциальное давление.

Если принять и воздух за идеальный газ, то с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона можно посмотреть, как изменилось его парциальное давление. Дальше я складывала два давления — насыщенных паров воды и воздуха — и получила общее. Потом написала уравнение, которое устанавливает линейную зависимость между расходом воды и перепадом давления на входе и выходе, проинтегрировала его по времени. Предполагая, что температура линейно зависит от времени, я построила график, из которого видно, как объем вытесненной воды зависит от температуры.

Какие выводы можно сделать

Если заполнить кофейник водой в 20 градусов Цельсия и оставить при этом 100 мл свободного пространства в нижнем резервуаре, то получится приготовить примерно две чашки кофе температурой 60 градусов Цельсия. А это значит, вкус раскроется не полностью.

Можно уменьшить свободное пространство и оставить примерно 30 мл над водой, что уже небезопасно. В таком случае 100 мл кофе сварится при температуре 81 градус Цельсия.

Еще один вариант — предварительно нагреть воду примерно до 70 градусов, потом залить ее в кофеварку и начать готовить. Тогда температура будет оптимальной. 

И последний вариант — немного безумный. Я предварительно нагрела воду, налила в кофеварку, поставила ее в кастрюлю с горячей водой на плите. Таким образом я нагревала кофеварку до 90–95 градусов Цельсия и поддерживала постоянную температуру. Кофе и правда получается намного вкуснее. Но минус в том, что тогда кофе будет вариться от 15 до 40 минут. Для рабочего утра — непозволительная роскошь!

Фото из личного архива Вероники Войтович

На бакалаврской программе «Физика» 20 бюджетных и 10 платных мест. Пообщаться с академическим руководителем и студентами можно в Telegram-чате. Также в Питерской Вышке при поддержке Tele2 работает контакт-центр для абитуриентов. Задать вопрос о поступлении можно по телефону +7 (812) 980-00-30. Также абитуриенты могут обратиться в Приемную комиссию по номеру (812) 644-62-12 или по почте abitur-spb@hse.ru.