Почему не стоит наливать полный чайник воды, если в нем нужно вскипятить воду?

При нагревании жидкость расширяется, ее объем увеличивается согласно формуле: V2 = V1 * (1+β * Δt). Где V2 - объем жидкости при t2, V1 - объем жидкости при t1, β - коэффициент объемного расширения, Δt = t2 - t1 - изменение температуры.

Если чайник налить до верха водой, то при нагревании вода из чайника будет выливаться. Так же при кипении идет интенсивное испарение из всего объема жидкости, что приведет к выливанию воды из чайника.

Расширение воды при нагреве

Прибавка в объеме при нагревании воды равна ΔV = V₀bΔt, где:

V₀ - начальный объем b - коэффициент объемного температурного расширения. Δt - разность температур (конечной и начальной).

Реальный расчет усложняется тем, что коэффициент b нелинейно зависит от температуры. Для упрощения возьмем значение коэффициента при 20 °С и будем его считать постоянным в интервале 20 ...100 °С.

Пусть полезный объем чайника V₀ = 3 л, нагревать воду будем от комнатной температуры в 20 °С до кипения. Прибавка в объеме составит:

ΔV = 3000 см³ * 0,0002 1 / град * (100 °С - 20 °С) = 48 см³ (масса воды - 48 г).

Это заметное увеличение объема, почти равное объему порции кофе.

При нагревании чайник тоже нагревается и его объем увеличивается, но твердые тела расширяются значительно меньше, чем жидкости, и этим расширением чайника можно пренебречь.

Вытеснение воды пузырьками

Когда вся вода прогреется до 100 °С, она начнет кипеть. В прилегающей к дну области вода начнет испаряться внутрь пузырьков, которые будут всплывать, увеличиваясь в объеме. Они тоже вытеснят часть воды из чайника. Объем выброшенной воды будет зависеть от интенсивности нагрева.

Потери

Потеря небольшой части воды возможна даже при закрывании полностью заполненного чайника крышкой. Вытесненная при кипячении вода будет потеряна. Вместе с ней будет потеряна часть затраченной на ее нагрев энергии. "Убежавшая" вода может испортить нагревательные приборы. Переносить полностью заполненный чайник опасно - можно обжечься. Чтобы избежать неприятностей, лучше чайник заполнять водой не полностью.