Приветствую всех, меня зовут Антон Кондратьев – автор телеграм-канала Кальянные расчёты, научный сотрудник, кандидат технических наук и инженер с десятилетним опытом.
Давно хотелось написать коротенечко о физике процесса курения: о том, что в чаше происходит и чего там не происходит. Так сказать «Выдать базу».
В момент, когда на чашу с табаком ставят калауд, а внутрь калауда – горячие угли, начинается процесс нагрева системы. Скорость нагрева со временем уменьшается по экспоненте, и вот почему:
- Во-первых, нагрев происходит по причине того, что подведенное к чаше тепло превышает потери тепла от неё же в окружающую среду. И скорость нагрева тем выше, чем больше эта разница между подводимым и отводимым теплом.
- Во-вторых, подводимое тепло пропорционально разности температур угля/калауда и чаши/табака. Очевидно, что по мере нагрева чаши с табаком эта разность постепенно снижается, а значит, замедляется и прогрев.
- В-третьих, потери тепла от чаши пропорциональны разности между её температурой и температурой окружающей среды. А поскольку чаша нагревается, то эта разность со временем увеличивается – а значит, опять же, замедляется прогрев.
На самом первом этапе – прогреве чашки с табаком – до начала курения полезным образом работает только теплопроводность и излучение. Конвекция (Теплообмен с обменом массой. Например, если открыть окно и впустить в комнату воздух – это конвекция.) же в этот момент полезной работы не совершает, потому что нагретый от углей воздух естественным образом поднимается вверх. При раскуривании и дальнейшем курении кальяна во время затяжек за счёт конвекции тепло доставляется к нижним слоям табака. Важный момент: в любой ситуации нижний слой табака холоднее верхнего, поэтому активное или неактивное курение с частыми или редкими затяжками может как способствовать нагреванию, так и охлаждению верхнего слоя табака – но нижний слой всегда при этом нагревается. В то же время, если кальян на какое-то время прекращают курить, верхний слой начинает догреваться, а нижний – остывать без воздействия затяжек.
Само по себе курение чашки подразумевает испарение носителя (глицерин) и ароматизатора. Для достижения привычного и комфортного курения требуется соблюдение двух требований:
- Табак в чашке нагрет достаточно, но не перегрет
- При затяжке в чашу поступает достаточное количество достаточно горячего воздуха.
Про нагрев табака до определённых температур, думаю, все знают, но повторюсь: примерно оптимальная температура в верхнем слое это 180℃. В нижнем слое в зависимости от способа прогрева чашки, её толщины и глубины, может быть на 30-100 градусов меньше.
А про горячий воздух поясню отдельно. Дело в том, что сам по себе процесс испарения с одной стороны – процесс энергозатратный, то есть при испарении табак остывает. А с другой стороны – испарение не начинается до тех пор, пока молекулы горячего воздуха, попадающие в чашку, не начнут обладать достаточной энергией для того, чтобы «выбивать» молекулы глицерина с их мест. По этой причине при хорошо прогретой чашке и недостаточно горячем воздухе может возникнуть ситуация, когда табак нагрет как надо, но при курении есть вкус, а дым отсутствует – поскольку диффузия работает, а испарение нет. Я сам воспроизводил подачу холодного воздуха в чашку мимо углей – в том опыте первая же затяжка моментально остужала табак и испарение прекращалось. А при разработке электронных калаудов создатели должны соблюдать соотношение нагрева воздуха и нагрева чаши с табаком, которое при использовании угля получается само собой. Но как правило либо при достаточном нагреве воздуха устройства перегревают табак, либо при достаточном нагреве табака они не догревают воздух и получается ситуация «вкус есть, а дыма нет».
Понятное дело, что испарение ароматизатора и никотина происходит пропорционально площади контакта табачного листа с воздухом – поэтому фанел курится менее ярко и менее крепко, чем рыхло забитая прямоточная чашка. При этом если прямоток забить очень плотно и сделать один или несколько колодцев, курение по насыщенности приблизится к фанелу.
В последней части статьи я хочу отдельно рассказать, чего в чашке при курении точно не происходит и что к тепловым процессам в чашке не имеет никакого отношения.
В кальянной индустрии есть деятели, которые придерживаются другого мнения. Давайте поговорим немного о том, почему их измышления не применимы. Про термодинамику, изотермические процессы и теорию идеального газа.
Начала термодинамики, конечно, звучат круто, а формулы можно понаписать красивые, но они не применимы к нашей системе. Почему? Всё дело в том, что термодинамическое равновесие системы (о котором говорится в минус первом начале термодинамики) подразумевает изолированность рассматриваемой системы. Наша же система не является изолированной, постоянно присутствуют как обмен теплом, так и обмен массой с окружающей средой (воздухом в комнате или на улице).
Изотермических процессов в кальяне также не происходит. По всё той же причине – это изопроцесс (количество вещества должно оставаться постоянным). Вот при кипении воды в замкнутом котле или таянии льда в термостате – процесс изотермический. В кальяне же просто нестационарный тепловой процесс имеет небольшой отрезок времени, когда температуры внутри чаши стабильны (табак уже нагрелся, а уголь ещё не сильно прогорел).
Ну и наконец, теория идеального газа. Она вообще никакого отношения к кальяну не имеет, поскольку все уравнения идеального газа соблюдаются относительно конкретного количества газа в замкнутом пространстве (котёл; воздушный шарик, надутый и завязанный; поршень и т.п.). В кальяне же происходит свободный приток и отток воздуха.
Запомните: специалист, который действительно разбирается в вопросе, может доступно его описать даже без использования излишне сложного аппарата терминов и уравнений. Обильное же использование специальных терминов часто используется для того чтобы скрыть собственное неполное понимание темы.
Спасибо за прочтение.
