При консервировании фруктов и овощей банки, залитые кипящим рассолом, плотно закрывают крышками (рис. 37). Почему после охлаждения крышки прогибаются внутрь?

рис. 37

Для объяснения данного явления мы рассмотрим несколько физических концепций, связанных с изменением давления и температуры, а также с поведением газов.

1. Тепловое расширение и сжатие газов.
   Согласно закону Бойля−Мариотта и законам термодинамики, при нагревании газ расширяется, а при охлаждении его объем уменьшается. Банки заполняют кипящим рассолом, при этом внутрь банки попадает горячий воздух (или пар), который занимает больший объем из−за высокой температуры. Когда банка герметично закрыта крышкой и начинает остывать, температура воздуха или пара внутри уменьшается. Понижение температуры приводит к сжатию газа, поскольку его молекулы начинают двигаться медленнее и занимают меньше пространства.

2. Снижение давления при охлаждении.
   Давление газа в закрытой системе связано с его температурой. Если объем газа остается постоянным, то при охлаждении давление внутри банки уменьшается. Это объясняется уравнением состояния идеального газа:
   $$ P \cdot V = n \cdot R \cdot T, $$
   где $ P $ — давление, $ V $ — объем, $ n $ — количество вещества газа, $ R $ — универсальная газовая постоянная, $ T $ — температура в Кельвинах.
   Поскольку банки герметично закрыты, объем $ V $ остается постоянным, а с уменьшением температуры $ T $ давление $ P $ внутри банки падает.

3. Разница давлений внутри и снаружи банки.
   После охлаждения банка оказывается в условиях, где давление внутри неё становится меньше атмосферного давления снаружи. Атмосферное давление, действующее на крышку с внешней стороны, создает силу, которая прогибает крышку внутрь. Это можно объяснить как действие неуравновешенной силы: атмосферное давление снаружи больше, чем давление внутри банки.

4. Герметичность банки.
   Герметичное закрытие банки ключевым образом предотвращает обмен газами между внутренним пространством и внешней средой. Это значит, что уменьшение давления внутри банки не компенсируется притоком воздуха извне, и разница давлений сохраняется.

5. Практическое использование явления.
   Прогиб крышки внутрь является индикатором правильного консервирования. Если крышка не прогибается внутрь после охлаждения, это может означать, что банка была закрыта ненадежно, и внутрь попал воздух, что увеличило внутреннее давление до уровня атмосферного. В таких случаях продукт может испортиться, так как отсутствие герметичности позволяет проникать микроорганизмам.

Таким образом, крышки прогибаются внутрь из−за разницы давлений, которая возникает при охлаждении газа внутри банки. Это связано с физическими свойствами газов, такими как тепловое расширение и сжатие, а также с герметичностью консервирования.