Проект «Стакан». Часть 2. Сахар, утепленные стенки и дуть или не дуть
Пока за окном творился греческий и бумажный апокалипсис, а макаронный монстр пожирал вермишель на полках мегамаркетов, в стенах НИИ плодотворно кипела работа над измерениями тепловых потерь одноразовых стаканчиков. Правда, не все вышли на следующий день на работу. Кое-кто пострадал в давке 12 марта при покидании актового зала и получил отгул. Но Завлаба не заботили такие мелочи. Он был в шоке от планируемого перехода на удаленку, ведь ЭВМ и прочие технологические навороты он не любил с детства, а огромный стол в его кабинете занимали стопки чертежей и расчетов, заимствованных из различных проектов общественного значения. Некоторые из них лежали здесь, наверное, еще со времен Ивана Грозного.
2020 год. Период с 12 по 26 марта. Сверхсекретная лаборатория научно-исследовательского института Тепла и Холода (НИИТиХо). Где-то в Подмосковье.
— Все готовы к испытаниям?
*Слышен сосредоточенный положительный гул вышедших на работу инженеров*
— Лёша, наливай!
Прозрачная жидкость высокого градуса полилась из бывалого металлического чайника по расставленным вдоль линейки стаканам. Расстояние между стаканами было отмерено качественно (1 м20 см), ошибки быть не могло. Сами стаканы были одинаковые, щепетильно отобранные ответственным младшим научным сотрудником Алексеем. Вдоль стола на специальных стульях сидели специалисты с приборами. Они ждали команды…
— Пять секунд — полет нормальный. Температура 85 целых, 6 десятых градуса. Опускается.
— На 2-м пункте испарение на уровне N!
— Так, не бегаем, не бегаем, товарищи! Вы создаете дополнительную конвекцию, а это мешает измерениям!
Люди в поношенных белых и важных темно-синих халатах склонились над стаканчиками и измерительным оборудованием, стараясь не дышать в направлении проводимых измерений. Метроном тягуче отсчитывал секунды, затем раз в минуту раздавался короткий звонок, и лаборанты дружно начинали записывать текущие показания в свои тетрадки и записные книжки.
— Василий, следи за временем, через 25 секунд добавляешь сахар и мешаешь свой стакан.
— Вы Павел? Не Павел? Почему у меня записано Павел? А, Павел заболел, кхм…понятно… Как вас зовут? Григорий Мелехов? Так и запишем. Вы мешаете свой стакан через 33…32 секунды согласно Генеральному плану.
Конечно, движение каждого специалиста было четко запланировано и проговорено заранее, что было указано в Генеральном плане товарища Завлаба. Вся лаборатория, как отлаженный механизм, реализовывала эту крайне нелегкую задачу, которая вела, без сомнения, к прорыву национальной важности. Эту важность, видимо, не очень понимал инженер Самсонов, который, высунув язык и сосредоточенно пыхтя, что-то подкручивал пальцами прямо в измерительном аппарате. Послышался глухой командный голос Завлаба:
— Так, 5-й датчик барахлит. Кто у нас там? Самсонов, посмотри контакт. Так… Ещё… Во! Пошли данные. — Самсонов справился со своей миссией и весело улыбнулся, подмигнув своему соседу.
Наступало время кульминации всего действа. Напряжение росло. Воздух прорезала четкая команда:
— Так, тепловизор пошел. Давай, давай родимый!
Статья 1: https://habr.com/ru/post/493444
Аннотация
В данной статье будет приоткрыта завеса того, как мы делаем свою работу и с какими трудностями периодически сталкиваемся. Темой данной статьи явилось изучение влияния нескольких внешних факторов на стаканчик с горячим напитком. Внешние факторы подразделяются на следующие категории:
- Добавление сахара в различных количествах;
- Утепление стенок стаканчика;
- И, даже, какая температура у чая, когда на него дуют.
Согласитесь, это совершенно неожиданный поворот!
А еще, выяснилось, что нам придется уйти на удаленку и это правильно. Жаль у нас нет трансгрессирующего дивана :(
В качестве основного подопытного мы взяли Образец #1 из предыдущей статьи, которых зачем-то мы закупили слишком много (привет отделу кооперации).
Добавляем сахар
Для начала мы решили посмотреть, какое влияние окажет добавление сахара в стаканчик с горячим напитком. Для исследования были использованы распространенные виды сахара, которые нам удалось найти в непосредственной близости, а так же различные исполнения форм-фактора — песок и рафинад.
Мы добавили пол ложки сахара в содержимое стаканчика и вот, что получилось:
То есть, добавление всего половины чайной ложки сахара привело к тому, что до 67 градусов мы добираемся уже не за 12 минут, а за 11 (прямо «Формула 1»). Это потому, что для химической реакции сахара с водой необходима тепловая энергия, которая и берется из нашего напитка. Чем теплее вода, тем охотнее сахар с ней реагирует, превращая воду/чай/кофе в раствор с содержанием сахарозы. Но мы на этом не остановились и решили проверить что будет, если добавить в чай 6 ложек сахара, так как это делает м.н.с. Алексей (теперь он отвечает за закупки сахара, а не закупщики).
И тут, совершенно неожиданно (с нашим-то уровнем организации экспериментов!), мы обнаруживаем, что в данные закрались ошибки! Результаты испытаний по стаканчику с большим количеством сахара и без сахара оказываются практически идентичны (чего быть не должно, физика — наука точная). А как повторить измерения? Сначала у нас была реальная паника — весь эксперимент коту под хвост. Мы пробовали поработать с данными, но, во-первых, получалась какая-то ерунда, а, во-вторых, это было бы абсолютно не этично использовать некорректные данные и на их основе делать какие-то серьезные научные выводы. Немного покричав в окно и побегав по комнатам (каждый у себя), мы поняли, что на дворе уже 21-й век, а, значит, у нас есть возможность реализовать данный эксперимент дистанционно.
К испытаниям по Скайпу были удаленно привлечены практически все сотрудники сверхсекретной лаборатории. Сами испытания проводились дома у ведущего инженера Данилы П., который утащил домой две упаковки одноразовых стаканчиков (и все об этом знали). Тепловизор и термометры почему-то тоже нашлись у него дома. Командовал процессом Завлаб, остальные наперебой советовали. Лаборантка Анечка записывала показания в свой блокнот с бабочками. А Павел — сразу в Эксель, т.к. блокнота с бабочками у него не было. Сахар Даниле П. пообещали компенсировать.
Теперь видно, что действительно работает. До 60 градусов за 15 минут вместо 20 у оригинального стаканчика без сахара. Еще мы проверили теорию, что если рафинад бросить в стаканчик и не мешать, то напиток будет остывать дольше. Оказалось, размешиваем мы сахар или нет — на скорость остывания это практически не влияет (в пределах погрешности домашних измерений) — при большой температуре сахар сам растворяется, хотя и остается в большей концентрации на дне стаканчика.
Утепленные стенки
Еще один интересный эксперимент был направлен на то, чтобы наконец определить как сильно на скорость остывания стаканчика влияет утепление его стенок. Для начала мы испытали два варианта сдваивания стаканчиков. В первый раз мы поместили один стаканчик в другой такой же (#1+1). А во второй — мы положили пару тонких салфеток в стаканчик и сверху поместили второй стаканчик — говорят, что таким способом пользуются в авиации (#1+салфетка+1). За наводку спасибо key08rus
В итоге получился довольно неожиданный результат:
Разницы у обоих вариантов со стаканчиком #1 практически нет на исследуемом участке. То есть мы плохо утеплили? Нет, оказывается, утеплили мы хорошо. Если раньше температура стенок стаканчика #1 была от 60 до 67 градусов (средняя примерно 65 оС) и держать его в руке было крайне сложно:
То для двух стаканчиков (#1+1) ситуация уже значительно лучше. Средняя температура стенок 54оС:
А для авиационного варианта (#1+салфетка+1) ситуация для рук максимально комфортная. Здесь средняя температура 48 оС, а внизу еще меньше:
Такой стаканчик уже можно без проблем держать в руке даже с кипятком. Почему это происходит? Потому что, в случае #1+1, во-первых, количество стенок удваивается (было 2, стало 4), а, во-вторых, между этими стенками получается уже 2 тонкие воздушные прослойки. В случае #1+салфетка+1 у нас уже не просто 4 стенки и 2 воздушные прослойки, а еще и сложная смесь салфеток и воздуха между ними. А тонкие прослойки воздуха, как известно, лучший простой теплоизолятор на свете.
Но вот на скорость остывания это практически не повлияло. Термоса в полном понимании не получилось. Тогда мы решили утеплить стенки максимально, чтобы совсем убрать тепловой поток через них. При этом полученный результат сравнили с применением крышки из 1 статьи, чтобы понять на сколько данное мероприятие повлияет на уменьшение скорости остывания кофе/чая. В итоге получился такой график:
Из графика видно, что даже максимальное утепление стенок и дна стаканчика оказывает значительно меньший эффект, чем надевание на него простой крышки.
Да, кстати, если держать стаканчик все время в руках — это тоже поможет не сильно (по времени остывания), хотя согреет руки :)
Будем дуть!
Для решения данной фундаментальной задачи мы посадили дуть трех человек.
Один из них бегает марафоны и полумарафоны. А еще триатлоны и Ironman. Человек подготовленный, закаленный. Пусть его зовут Илья.
Второй курит как паровоз, так что мы сделали абсолютно логичный вывод, что если к 50 годам он еще может столько курить, то значит и дуть он тоже сможет примерно столько же и с такой же силой. А это Дмитрий Геннадьевич.
Ну и третьим стал наш админ Серега — просто потому что желающие закончились, а у Сереги, как оказалось, был хитрый план.
Замотивировали большим тортом (в случае марафонца он должен был быть морковным) и пачкой медицинских масок FFP3. С незначительным преимуществом выиграл Серега, соорудив систему из двух кулеров от старых компов и подключив это чудо к переносному аккумулятору в кармане. На резонные замечания других участников проекта юридическим языком отвечаю — в правилах не было оговорено неприменение технических средств и устройств. Пишу на всякий случай, вдруг меня все-таки догонит марафонец (он очень хотел торт и признание коллег).
В итоге получилось следующее:
Сергей достиг комфортной для себя температуры питья (67 оС) за 4 минуты с помощью своего приспособления. Илья сделал то же за 5 минут. Ну, а Дмитрию Геннадьевичу понадобилось на это целых 7 минут. Соревновательный дух в них иссяк не сразу, поэтому они довели дело до 60 оС, что замечательно видно на графике.
Так же, параллельно, был проведен эксперимент, в котором на воду в стаканчике дули только первые две минуты, а потом оставили остывать.
В результате получилось, что это ускорило время достижения 67 оС на 3 минуты (стало 9,5 минут вместо 12,5). Возможно, если бы дул марафонец или система нашего системного администратора, то время бы сократилось еще больше.
Кстати, вот здесь https://habr.com/ru/post/377107 уже делали нечто подобное, что безусловно и неопровержимо подтверждает выводы нашего исследования.
Интересный факт
А вы замечали, что если помешать кофе/чай, то температура становиться немного ниже и иногда уже можно начинать его пить? Это потому, что плотность воды зависит от ее температуры (а эти напитки сделаны на основе воды и, соответственно, наследуют ее свойства). Чем ниже температура, тем выше плотность. Более теплая вода поднимается вверх, более холодная опускается на дно, т.е. в стакане с горячим напитком есть слои с разной температурой. Ближе к стенкам жидкость теряет больше тепла, поэтому у стенок вода тоже холоднее (не везде), чем в толще. За счет этих двух процессов происходит медленное перемешивание-движение воды внутри стакана даже если его не трогать.
На термограмме видно нелинейное распределение температуры на поверхности воды в стаканчике (бело-желтые пузыри всплывают на поверхность и перемешиваются, а темно-желтая субстанция опускается ниже, перемешиваясь там)
Очень короткое заключение
- Если кладете сахар в стакан — содержимое остынет быстрее. Чем больше сахара — тем быстрее остынет (минус 1–3 минуты к стандартному времени остывания).
- Утепление стенок стаканчика спасет от неприятных ощущений ваши руки, но остывание чая/кофе практически не замедлит (плюс 1–3 минуты к стандартному времени остывания).
- Если будете дуть — сэкономите время и прокачаете легкие (минус 3–8 минут к стандартному времени остывания).
- Горячий напиток на основе воды — слоистый напиток. Не знаем, где вам это пригодится, но это неоспоримый факт.
Спасибо за внимание, будьте на позитиве, решайте нестандартные задачи и не болейте!>
