Foukání do horkého čaje urychluje jeho chladnutí. Jak přesně to funguje a kde leží hranice tohoto efektu? Obecně jsme odpařování vody popsali v dotazu č. 472: Proč se voda na slunci vypaří i bez varu? V této odpovědi si pojďme rozebrat, jak horký čaj stydne a jakou roli v tom hraje proudění vzduchu.

Co se děje, když čaj stydne?

Jelikož v našem světě platí termodynamické zákony, pokud se vedle sebe nachází tělesa s odlišnou teplotou, po nějaké době se jejich teplota vyrovná, tedy teplejší těleso předá dostatek tepla studenějšímu. Proto nám po určité době vychladne čaj na pokojovou teplotu, pokud ho například zapomeneme v pokoji na stole. Předá totiž část tepla okolnímu vzduchu v pokoji.

Přestože má voda, potažmo čaj, oproti jiným látkám vysokou tepelnou kapacitu a při svém ochlazení „odevzdá“ vzduchu mnoho tepla, tak toto ohřátí probíhá pouze lokálně a my jej prakticky nezaznamenáme.

Když do čaje foukáme, stále obměňujeme vzduch nad hrnkem s horkým čajem, teplo neustále přechází do studenějšího vzduchu a čaj se ochlazuje efektivněji. Odborně říkáme, že dochází k nucenému proudění neboli konvekci, což usnadňuje přenos energie ve formě tepla mezi horkou kapalinou (čajem) a studenějším plynem (vzduchem vyfukovaným z úst).

Jak rychle se voda vypařuje?

Druhým jevem, který vstupuje do hry, je zmiňované vypařování vody z hladiny. To samo o sobě ochlazuje čaj: kapalná voda se přeměňuje v plynnou páru, což vyžaduje určité množství energie ve formě tepla, kterou musí horká kapalina odevzdat.

Rychlost vypařování závisí na mnoha podmínkách: teplotě, tlaku, vlhkosti okolního vzduchu, ploše hladiny, ze které se voda vypařuje. Důležitou roli hraje to, jak se nad hladinou hromadí vodní pára. V určitém okamžiku se množství páry ustálí – voda se odpařuje stejně rychle, jako se část páry vrací zpět na kapalinu. Tomuto stavu říkáme, že pára dosáhla své nasycenosti, a daný tlak nazýváme tlak nasycených par. Čím je teplota vyšší, tím více páry může vzduch pojmout (roste tlak nasycených par), a vypařování proto probíhá rychleji. Horká kapalina se vypařuje snáz, než studená. Podmínky při odpařování se tak neustále mění tím, jak se čaj ochlazuje.

Existuje určitá hranice maximální rychlosti vypařování za daných podmínek. Ta závisí na chemických a fyzikálních vlastnostech jednotlivých látek, tedy na jejich složení včetně různých nečistot. V případě horkého nápoje záleží tak třeba na tom, zda se jedná o čaj, kávu, nebo třeba svařák [1]. Její hodnotu můžeme teoreticky spočítat, je ale velice obtížné ji přesně stanovit pokusem. I pro obyčejnou vodu vědci provedli řadu studií, jejichž výsledky se významně lišily [2]. Horký čaj při pokojové teplotě zchladne na teplotu, při které si nespálíte jazyk, za přibližně 15–20 min. Během toho se ho vypaří nejvýše nízké jednotky mililitrů.

Foukání i vakuum odnáší páry i kapky

Jak tomu pomůže foukání? Když nad čajem proudí vzduch, odnáší tuto páru pryč. Tím vytváří místo pro další páru a voda se může dál odpařovat. Jinými slovy dochází k neustálému vyrovnávání tlaku nasycených par. Čím rychlejší proudění, tím rychleji pára mizí. Nad určitou rychlost už ale odvádíme páru téměř dokonale a výpar a s ním spojený přestup tepla už zrychlit nelze – limitem není foukání, ale samotná maximální rychlost odparu.

Pokud by byl hrnek s čajem umístěn v dokonalém vakuu, situace by byla složitější. Čaj by se začal okamžitě vařit, tedy přeměňovat se na páru v celém svém objemu, a to už při pokojové teplotě. Teplotu bychom museli aktivně udržovat pomocí konstantníhom ohříváním, jinak by nám čaj během odpařování rychle zmrzl (jak jsme si popsali výše, přeměna vody na páru stojí látku hodně tepla). Zároveň by byly z hladiny dokonale odváděny páry, teoreticky by tak bylo dosaženo maximální rychlosti vypařování. Ani tak by se ale nevypařil celý objem hrnku naráz, odpařování by ale bylo rychlejší asi o řád: za zmíněných 15–20 min by se mohly vypařit přibližně desítky mililitrů čaje.

Dalším jevem, který jsme zatím zanedbali, ale který může mít na úbytek čaje v hrnku nezanedbatelný vliv, je narušení hladiny a rozfoukávání drobných kapének do okolí. Zvlášť při intenzivním foukání může tímto způsobem z hrnku uniknout překvapivě velké množství kapaliny.

Na celé situaci je krásně vidět, jak fascinující a složitá fyzika se může skrývat i za tak obyčejným dějem, jako je chladnutí čaje: stačí ho prozkoumat podrobněji a rázem skončíme ve světě tepla a hmoty, proudění i fázových rovnováh.

Pro Zeptej se vědce odpovídaly Johana a Terka