Když čekáte, až se hrnec s vodou ohřeje na sporáku, drobné bublinky jsou prvním znamením, že se připravuje k varu. Jak se voda zahřívá, bubliny se zvětšují, dokud převalující se var signalizuje, že voda dosáhla 212 stupňů Fahrenheita (100 stupňů Celsia).
nebo ano? Každý, kdo vařil vodu v mikrovlnné troubě, si všimne nedostatku bublin. Proč má tedy vařící voda bublinky, s výjimkou mikrovlnné trouby?
„Bod varu znamená, že při čemkoli nad touto teplotou jsou vaše molekuly šťastnější, když jsou párou než kapalinou,“ řekl. Jonathan Boreykofluidní dynamika ve Virginia Tech. Nad 212 F je vlastní energie molekul vody – známá jako chemický potenciál – nižší. plyn než kapalina, takže pára je nejstabilnější formou.
„Abyste však skutečně provedli vaření, musíte vytvořit bublinu, která stojí za energii,“ řekl Boreyko Live Science. „Takže to, že jsi šťastnější, že jsi pára, neznamená, že budeš úspěšně vařit.“
Proto je teplota, při které se voda skutečně vaří, kompromisem mezi chemikáliemi potenciální energie ušetřen tím, že se stane plynem a energie vynaložená na vytvoření bubliny.
Zásadní je, že bublina není jen objem plynu, ale také rozhraní mezi plynnou a kapalnou fází. A jako všechna rozhraní kapalin i tento povrch podléhá povrchovému napětí.
Povrchové napětí je síla, která se neustále snaží zmenšit hranici plyn-kapalina na co nejmenší plochu. V případě bubliny by to znamenalo, že se zcela zhroutí zpět do jednotné kapaliny. Stabilní bublina proto musí obsahovat dostatek plynu, aby chemická potenciální úspora energie byla větší než povrchové napětí rozhraní, takže větší bubliny jsou stabilnější.
„Povrchové napětí je v podstatě energetické náklady na oblast,“ řekl Boreyko. „Skutečně malé bubliny mají velmi velký poměr povrchové plochy k objemu, zatímco větší bublina má menší plochu vzhledem ke svému objemu. Objem převládá, čím větší získáte, což převyšuje náklady na povrchové napětí.“
V důsledku toho se voda často nevře, dokud není o něco teplejší než 212 F – jev známý jako přehřátí. Bod varu označuje teplotu, při které se plyn stává stabilnější než kapalina, a další stupně odpovídají aktivační energii potřebné k vytvoření dostatečně velké bubliny.
Různé faktory však ovlivňují, jak snadno se tyto bubliny mohou tvořit, Mirko Gallodynamik tekutin na univerzitě Sapienza v Římě, řekl Live Science.
„Rozpuštěné plyny, nečistoty ve vodě, povrch nádoby, to vše může snížit energetickou bariéru pro tvorbu bubliny,“ vysvětlil Gallo. Tyto nepravidelnosti v objemové kapalině poskytují zřetelný nukleační bod, kolem kterého se mohou tvořit bubliny, což snižuje penalizaci povrchového napětí ve formě zcela kulovité bubliny.
„Pokud vytvoříte bublinu na okraji, je to jen polovina koule, takže máte menší povrch a budete potřebovat méně energie,“ dodal. „Proto se první bubliny vždy začnou objevovat na hranici hrnce.“
Vaření vody v mikrovlnkách
Naopak v mikrovlnné troubě neobvyklé podmínky ohřevu potlačují tvorbu bublin tak účinně, že je možné přehřát vodu až o 36 F (20 C).
„Elektromagnetické vlny pronikají a vzrušují molekuly vody celým objemem, takže ohřívá vodu velmi rychle a rovnoměrně, zatímco na varné desce se nejvíce zahřívá spodní stěna hrnce,“ vysvětlil Boreyko. „Také máte tendenci (ohřívat věci v mikrovlnné troubě) v docela hladké nádobě – řekněme skle – takže nemáte ty lokalizované hotspoty, které vám pomohou překonat tuto energetickou bariéru a vytvořit první rozhraní.“
Tato obrovská zásobárna chemické potenciální energie v přehřáté kapalině se samovolně uvolní ve formě obří výbušné bubliny, jakmile se nádoba naruší, takže voda ohřátá v mikrovlnce je překvapivě nebezpečná.
Přehřívání se však netýká výhradně vody; je to možné pro jakoukoli tekutinu, řekl Gallo.
„Voda má velmi vysoké povrchové napětí ve srovnání s většinou kapalin, ale v zásadě platí, že čím vyšší je povrchové napětí, tím dramatičtější je účinek,“ dodal Boreyko.
