Физика льда

Физика льда

Верхушка айсберга физического понимания процессов, происходящих со льдом в баре

 

Лед является удивительным веществом, без которого практически невозможно представить современный бар (если концепция бара не основана только на заранее смешанных, разбавленных и охлажденных напитках). Поэтому в очередной нашей статье пойдет речь о физических процессах, лежащих в основе манипуляций, которые мы проделываем со льдом в баре. 

 

Лед — это твердое агрегатное состояние воды. Про физические принципы, лежащие в основе образования льда хорошо написано здесь. Советуем прочитать эту статью, прежде чем идти дальше, чтобы иметь базовое понимание процесса образования льда.

 

 

Основной интерес, который лед представляет в баре связан с охлаждением и разбавлением напитков. Но прежде, чем переходить к этим вопросам, давайте разберемся немного термодинамикой плавления льда. 

 

Плавление — это переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое, процесс происходит с поглощением теплоты. Плавление относят к фазовому переходу I типа. В общем случае, график зависимости изменения температуры от времени для плавления выглядит так:

 

Температура плавления зависит от внешнего давления. Как правило, при повышении давления повышается и температура плавления вещества. Но лед является исключением. Из-за того, что он имеет меньшую плотность, чем вода, при повышении давления, его температура плавления падает. При стандартном атмосферном давлении 101 325 Па температура плавления льда равна 0 ºС. 

 

Во время плавления при подведении постоянного тепла разрушается дальний порядок в кристаллах и происходит разрыв межатомных связей, при этом ближний порядок в расположении атомов не меняется. Необходимая для этого теплота называется скрытой теплотой, так как на изменение температуры она не влияет.  Для плавления 1 г льда требуется 80 калорий, что достаточно много. Для сравнения, такое же количество теплоты требуется, чтобы нагреть 1 г воды до 80 ºС, или нагреть 1 г льда от -160 ºC до 0 ºС. 

 

В системе вода-лед равновесие будет достигнуто при температуре 0 ºС. Если же в систему добавить другие вещества, например алкоголь или сахар, то температура равновесной системы опустится ниже 0 ºС. Поэтому, температура коктейля после хорошего шейка или стира может опуститься до -6 ºС и ниже. 

 

 

Это можно объяснить с помощью термодинамического потенциала, также известного  как энергия Гиббса. Самопроизвольное протекание изобарно-изотермического процесса (при постоянном давлении и температуре) определяется двумя факторами: уменьшение энтальпии системы H (внутренняя энергия, передаваемая в форме теплоты между системой и ее окружением) и увеличение энтропии S(аддитивная переменная состояния, характеризующая переход энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных). Состояние системы описывается разностью этих термодинамических факторов, что и есть энергия Гиббса:

 

G=H - TS,

 

где T — температура, H — энтальпия системы, S — энтропия системы. 

 

Условием равновесия системы служит стремление G к нулю. Если температура ниже 0 ºС ,то уменьшение энергии Гиббса будет происходить при фазовом переходе водалед и система будет стремиться перейти в кристаллическое состояние (лед). А если температура больше 0 ºС, то уменьшение энергии Гиббса произойдет при фазовом переходе ледвода, что приведет к  таянию льда.

 

Добавление в эту систему алкоголя значительно увеличивает энтропию системы, плюс значительную роль играет тот факт, что температура кристаллизации этанола -114 ºС. Поэтому равновесие системы достигается при температуре ниже 0 ºС. Сложно определить конкретное значение этой температуры теоретически, так как пропорции смеси алкоголь-вода-лед редко бывают постоянными, и зачастую в систему входят другие вещества, например сахар или соль. Экспериментально можно делать замеры  температуры после шейка или долгого стира на примере разных напитков. Такой метод поможет вам не только убедиться в верности данной теории, но и сделать температуру ваших напитков более стабильной. 

 

В своей книге Дэйв Арнольд устанавливает «Фундаментальный закон традиционных коктейлей»: без разбавления нет охлаждения, и наоборот, без охлаждения нет разбавления. Давайте немного разберемся, что это значит. 

 

Сразу оговоримся, что в данном случае, он делает два допущения:

  • система считается изолированной, то есть предполагается, что никакая теплота извне не воздействует на нее, также как и шейкер или смесительный стакан не имеют никакого влияния

  • охлаждение происходит только при помощи льда

 

В таком случае единственно возможная теплота, необходимая для плавления льда, содержится в окружающей жидкости. А это значит, что отдавая ее, жидкость будет охлаждаться, в то время как лед будет таять. Количество талой воды, полученной после плавления льда, будет прямо пропорционально падению температуры напитка. Наиболее эффективное и быстрое охлаждение напитка льдом происходит в том числе благодаря конвекции. Холодная талая вода смешивается с напитком более теплой температуры, тем самым охлаждая его. Если например, покрыть кусочки льда пластиком, и попробовать охладить коктейль таким льдом, понадобится достаточно большое время, чтобы достигнуть температуры 0 ºС. Ниже этой температуры охладить не получится, так как не будет влияния алкоголя на понижение температуры замерзания смеси.

 

Перед тем, как написать свою книгу, Дэйв Арнольд провел серию экспериментов на тему того, как разный лед влияет на шейк или стир. В том числе, они с товарищами провели измерения изменения температуры в шейкере и смесительном стакане во время шейка и стира. Ознакомиться с полным отчетом можно здесь и здесь. По итогам этих экспериментов, они пришли к интересным выводам. Некоторые из которых развенчивают многие заблуждения, свойственные барменам: 

  • Шейк с крошеным льдом дает такое же количестве талой воды, что и шейк с кубическим льдом. Здесь нужно пояснить, что крошеный лед может дать больше талой воды, за счет того, что площадь поверхности крошеного льда в разы больше, чем у кубика. Но эта талая вода образовывается на поверхности льда во время его хранения, а не в процессе шейка. То есть вы привносите ее в напиток до того, как начать охлаждать напиток. Если, например «высушить» лед с помощью центрифуги и сразу использовать его для охлаждения напитка, количество талой воды будет таким же, как и при использовании кубического льда. 

  • Замороженный лед охлаждает медленней, чем лед, температура которого 0 ºС. Этот факт можно объяснить тем, что при использовании замороженного льда сначала происходит нагрев льда до температуры плавления за счет теплоты, полученной из напитка (что не так много, относительно теплоты, необходимой для плавления льда). Затем только лед тает, охлаждая и разбавляя напиток. А так как на плавление льда требуется значительно больше теплоты, чем на нагрев льда до 0 ºС, то в случае с замороженным льдом сначала теряется время на менее энергозатратный процесс, затем только начинается эффективное охлаждение.

  • Качество льда при шейке не влияет на конечную температуру напитка и количество талой воды. Также не имеет особого значения стиль и большая длительность шейка. Здесь история в том, что во время взбивания со льдом происходит достаточно быстрое падение температуры, что конечно влечет за собой разбавление напитка. В среднем, напиток охлаждается до температуры -5ºС за 12 секунд при любом стиле шейка (главное, чтобы он был энергичным), дальше температура максимум падает на 1-2 градуса. Внешние температурные условия не оказывает сильного влияния на напиток во время самого шейка, это влияние значимо при переливании напитка в бокал. Поэтому качество и размер льда в большей степени влияют на напиток уже при подаче. Окружающая теплота согревает его достаточно быстро, и лед плохого качества растает быстрее, чем прозрачный плотный лед.  

 

Есть много других полезных данных в этих статьях, например эксперимент, который показывает, что размер льда имеет большое влияние во время стира. Для того, чтобы температура напитка при данном методе приготовлении упала до -5 ºС, необходимо стировать около 2 минут с крошеным льдом, для средних кусков это время увеличивается до 3 минут. 

 

 

Зато удивительный факт состоит в том, что если оставить напиток в смесительном стакане на минуту без каких-либо движений до или после стира, это практически не повлияет на финальное разбавление и охлаждение. Это хорошая новость для тех, кто стремится отдавать напитки, приготовленные разными способами в одно и то же время. 

 

Эти данные всего лишь небольшая часть айсберга знаний. Крайне советуем погрузиться в чтение книги или статей Дэйва Арнольда. И конечно, было бы здорово, если бы вы нашли способ использовать эти знания на практике. 

 

Источники: 

  1. Dave Arnold. Liquid Intelligence: The Art and Science of the Perfect Cocktail

  2. Китайгородский А. И., Ландау Л. Д. Физика для всех. Движение. Теплота.

  3. Wikipedia

  4. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/089/488.htm

  5. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/010/069.htm

  6. https://scisne.net/t-1701

  7. http://www.cookingissues.com/index.html%3Fp=1527.html

  8. http://www.cookingissues.com/index.html%3Fp=4585.html

  9. http://www.cookingissues.com/index.html%3Fp=2434.html

  10. http://www.cookingissues.com/index.html%3Fp=1491.html

  11. Фримантл М. Химия в действии.

  12. В. Марков, Л. Брусницына, Л. Маскаева, Т. Алексеева, Е. Степановских, Т. Виноградова. Физическая химия: расчетные работы. В 2 ч. Часть 2. 
     

Comments

Log in to leave a comment

Be the first who will comment it