Вы персональный шеф-повар крупного африканского предпринимателя. Вы обожаете свою работу и готовы целыми днями придумывать изысканные и питательные блюда на основе всех тех изумительных ингредиентов, которые предлагает вам Африка. И именно поэтому вы слегка потрясены последней просьбой босса: яйцо всмятку с «солдатиками». К нему приехали погостить родственники из Англии, и на завтрак в честь дня своего рождения он попросил сварить страусиное яйцо, но так, чтобы желток остался жидким. Как долго то следует держать в кипящей воде? Если яйцо окажется недоваренным или сварится вкрутую, босс будет разочарован, а вам придется подыскивать новое место работы.

Грубо говоря, тепло — беспорядочное движение частиц, составляющих вещество. Чем выше скорость теплового движения, тем выше температура. Более горячее тело передает тепловую энергию менее горячему: это называется теплопередача. Есть три вида теплопередачи — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Для первого обязателен контакт: скажем, если я теплым летним днем прикоснусь к кузову своей машины, движущиеся частицы металла заставят перемещаться молекулы и атомы в моей руке. Конвекция возникает при передаче внутренней энергии потоками самого вещества. (Отопительные приборы у вас в доме неслучайно называются конвекторами: они нагревают воздух по соседству, и он начинает перемещаться по помещению.) Тепловое излучение выглядит так: нечто горячее (скажем, Солнце) испускает электромагнитные волны, которые в процессе движения сталкиваются с другими объектами (например, с Землей), вынуждая их частицы перемещаться и, следовательно, нагреваться.

Различные вещества по-разному передают тепло. Зная, что металлы нагреваются быстро, мы делаем из них кастрюли и сковородки. Зная, что дерево нагревается медленно, мы делаем из него ручки для металлической утвари, чтобы ее можно было поднять.

Как уже было сказано, тепловая энергия всегда стремится от горячего к холодному. То, что кажется нам «охлаждением», на самом деле является теплом, которое утекает из наших тел (горячих) в среду (холодную). Чем больше разница температур, тем интенсивнее тепловой поток. Если количества тепла (теплоты) достаточно, мы можем перегруппировать частицы — к примеру, заставить лед таять, а воду испаряться. У нас есть отборное яйцо и возможность обеспечить высокую теплопередачу: значит, мы можем изменить частицы яичного белка так, чтобы он затвердел. При этом, рассчитав время варки и остановившись в нужный момент, мы получим яйцо всмятку. Чтобы страусиное яйцо сварилось как надо, на протяжении всего процесса белок должен равномерно нагреваться примерно до 63 °C. Желток при такой температуре сделается теплым, но останется жидким.

Вот несколько ключевых понятий, которые необходимо уяснить до того, как вы приступите к варке страусиного яйца.

Удельная теплоемкость — это количество энергии, необходимое для нагрева 1 килограмма вещества на 1 градус. Вспомните, что говорилось в главе 10 про калории. Чтобы нагреть литр воды на 1 кельвин, требуется 4184 джоулей — то есть удельная теплоемкость этой жидкости равняется 4184 Дж/(кг·К). У воды один из самых высоких показателей удельной теплоемкости. Для сравнения: удельная теплоемкость стали составляет примерно 490 Дж/(кг·К) — почти в 10 раз меньше удельной теплоемкости воды. Это значит, что энергия, способная нагреть воду всего на градус, нагрела бы сталь на десять градусов.

Плотность, о которой вскользь упоминалось в главе 11, определяется через отношение массы тела к занимаемому им объему. Кубический метр воды весит 1000 кг — следовательно, ее плотность равна 1000 кг/м3. Плотность стали примерно в восемь раз больше, а вот плотность древесины бальсы, наоборот, намного меньше: в среднем она составляет примерно 160 кг/м3. Как ни удивительно, но плотность льда составляет 917 кг/м3. Это, кстати, объясняет, почему тот не тонет в воде: менее плотные вещества держатся на поверхности более плотных субстанций. Белок и желток сравнимы по плотности с водой (1,038 кг/м3 и 1,032 кг/м3 соответственно), и именно поэтому яйцо тонет.

Теплопроводность — основной способ передачи тепла страусиному яйцу, которое мы будем варить. Коэффициент теплопроводности определяет, насколько хорошо вещество проводит тепло: эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей за секунду через образец материала метровой длины и площади при разнице температур в 1 К. Самый низкий коэффициент теплопроводности у изоляторов, в том числе у воздуха — 0,026 Вт/(м·К) при 20 °C, поэтому мы часто используем воздушный зазор в качестве теплоизоляции. Лучший изолятор — вакуум: он вообще не проводит тепло, ему нечем. Это серьезная проблема для космических аппаратов — они излучают тепло в космос, но не проводят его. Высокий коэффициент теплопроводности у проводников: у меди, из которой так часто делают кастрюли и сковородки, он равен 394 Вт/(м·К) при температуре от 20 до 100 °C. Еще лучше тепло проводит алмаз: коэффициент его теплопроводности превышает 1000 Вт/(м·К), но для кухонной утвари этот материал дороговат.

Поскольку формула для варки яйца включает элементы термодинамики, ее структура выглядит сложно, даже жутковато:

Но сложность не страшна, все, что нам нужно, — просто подставить значения. Вполне по силам.

Для начала ln — особая форма тех логарифмов, с которыми мы столкнулись в главе 13. Натуральный логарифм, который обозначается ln (от франц. logarithme naturel), — логарифм с основанием в виде числа e. Оно чуть больше 2,7 и, подобно π, является иррациональной константой, то есть десятичной дробью, продолжающейся бесконечно без повторения групп знаков. На большинстве калькуляторов имеются отдельные кнопки и для ln, и для e, а значит, провести вычисления будет несложно.

Формулу вывел Чарльз Уильямс, физик из Эксетерского университета, и первоначально она была рассчитана для куриных яиц. Объем страусиного яйца сравним с совокупным объемом 24 куриных яиц, а его энергетическая ценность — с суточным рационом взрослого человека. Но в любом случае формула должна подойти — правда, скорлупа страусиного яйца почти в шесть раз толще, чем у куриного. Во-первых, чтобы вскрыть яйцо, вам понадобятся молоток и зубило, во-вторых, вы понимаете, что с учетом толщины яичной скорлупы время варки немного увеличится. Кулинария не столько искусство, сколько наука! Вы подставляете следующие значения:

• с — удельная теплоемкость белка, равная 3700 Дж/кг·К;
• k — коэффициент теплопроводности белка, составляющий 0,34 Вт/(м·К);
• M — масса яйца, равная 1,4 кг;
• ρ — плотность белка, соответствующая 1032 кг/м3;
• Tяйца — температура яйца перед приготовлением, то есть 20 °C, или 293 K;
• Tводы — температура воды, в которой мы варим яйцо, составляющая 100 °C, или 373 K;
• Tжелтка — требуемая температура желтка в процессе варки, то есть 63 °C, или 336 K.

Получаем:

Вводите все это в калькулятор и получаете:

время = 5366 × ln(1,643).

Нажимаете на кнопку натурального логарифма (это очень удобно):

время = 2664 секунды
(с округлением до ближайшей целой секунды).

Вы довольны расчетами и приступаете к подготовительной работе. Однако ваш эксцентричный босс внезапно переносит праздник на вершину Килиманджаро. Будут ли ваши тщательные вычисления верны и там?

Кипение — многоплановый процесс, при котором жидкое вещество переходит в газообразное состояние. Температура кипения зависит от атмосферного давления. Как только частицы находящейся в кастрюле воды приобретут энергию, достаточную, чтобы оторваться от остальной жидкости, им придется преодолевать еще и сопротивление воздуха. Это тем сложнее, чем плотнее воздух. На вершине Килиманджаро высотой 5895 м давление воздуха ниже, чем на уровне моря. Значит, процесс упростится, то есть вода закипит при более низкой температуре — примерно при 93,7 °C. Как это повлияет на время варки? Если Tводы теперь составляет 93,7 °C, или 366,7 K, вы получаете:

Время = 5366 × ln(1,824)

Время = 3225 секунды
(с округлением до ближайшей целой секунды).

То есть почти 54 минуты — на 10 минут больше, чем следовало из вашего первоначального расчета, и, возможно, не то, чего можно было бы ожидать от мизерной разницы в 6,3 К. По счастью, на вершину вас доставит вертолет! Вы тщательно упаковываете оборудование, предназначенное для приготовления пищи на открытом воздухе, и надеетесь, что вибрации при полете не повредят яйцо до начала варки. Пока яйцо будет добрый час вариться (не забываем о его толстой скорлупе), вы готовите «солдатики»: нарезаете, намазываете маслом и поджариваете хлеб. Получаете восхитительно текучий и при этом теплый желток, радуете босса и сохраняете за собой должность.