Niezależnie od okazji trzask korka szampana oznacza uwolnienie nacisku - zarówno dla biesiadników, którzy mają zamiar wchłonąć, jak i dla płynów w środku. Otwarcie butelki zmienia ciśnienie na ciecz, umożliwiając wydostanie się rozpuszczonego dwutlenku węgla i wytworzenie charakterystycznego blasku w szklance.
powiązana zawartość
- 170-letni szampan odzyskany (i skosztowany) z wraku bałtyckiego
- Nauka dlaczego wyskakuje szampan
- Nauka o szampanie, musujące wino stworzone przez przypadek
Chociaż podstawy tego, dlaczego bąbelki szampana są dość dobrze znane, naukowcy wciąż próbują rozwiązać niektóre tajemnice związane z tworzeniem się bąbelków. Być może zaskakujące, bąbelki w schłodzonym szampanie zachowują się podobnie do bąbelków we wrzącej wodzie stosowanej w turbinach parowych, a także bąbelki w różnych zastosowaniach przemysłowych.
„Pęcherzyki są bardzo powszechne w naszym codziennym życiu” - mówi Gérard Liger-Belair, fizyk z University of Reims we Francji. „Odgrywają one kluczową rolę w wielu procesach naturalnych i przemysłowych - w fizyce, inżynierii chemicznej i mechanicznej, oceanografia, geofizyka, technologia, a nawet medycyna. Niemniej ich zachowanie jest często zaskakujące, aw wielu przypadkach wciąż nie w pełni zrozumiałe. ”
Jedną z wyjątkowych zagadek jest to, jak szybko tworzą się bąbelki różnej wielkości w cieczach, co może pomóc inżynierom w zaprojektowaniu bardziej wydajnych systemów kotłowych i zwiększeniu mocy z reaktorów zasilanych parą. Wykorzystując moc superkomputerową do symulacji bulgotania cieczy, naukowcy w Japonii potwierdzili teraz, że wszystko sprowadza się do teorii matematyki zaproponowanej w latach 60.
„Jest to pierwszy krok do zrozumienia, jak pojawiają się pęcherzyki i jak pęcherze oddziałują na siebie podczas tworzenia się pęcherzyków na poziomie molekularnym” - mówi współautor badania Hiroshi Watanabe, fizyk z Uniwersytetu Tokijskiego. Wyniki pojawią się w tym miesiącu w Journal of Chemical Physics .
W szampanie i we wrzącej wodzie bąbelki ulegają przemianie zwanej dojrzewaniem Ostwalda, nazwanym tak od nazwiska odkrywcy, XIX-wiecznego niemieckiego chemika Wilhelma Ostwalda. Zauważył, że małe cząstki cieczy lub ciała stałego w roztworze ustępują większym, ponieważ większe cząstki są bardziej stabilne energetycznie.
W przypadku bańki cząsteczki cieczy na mniejszej powierzchni są mniej stabilne i będą miały tendencję do odłączania się. Jednocześnie cząsteczki zostaną przyciągnięte do stabilnych powierzchni większych pęcherzyków. Z biegiem czasu liczba małych pęcherzyków spada, a liczba dużych pęcherzyków rośnie, dzięki czemu ogólna ciecz ma bardziej szorstką teksturę. „Po pojawieniu się wielu bąbelków w momencie odkorkowania szampana [butelki], liczba pęcherzyków zaczyna się zmniejszać”, mówi Watanabe. „Większe bąbelki stają się większe przez zjedzenie mniejszych bąbelków, a ostatecznie przetrwa tylko jeden bąbelek.” Oprócz regulowania tworzenia się bąbelków w twoim napoju, dojrzewanie Ostwald stoi za piaszczystą teksturą ponownie zamrożonych lodów, ponieważ sprzyja tworzeniu się większe kryształy lodu, gdy stopiona mieszanina zestali się.
Poza królestwem żywności i napojów dojrzewanie Ostwald występuje w elektrowniach, w których bojlery podgrzewają wodę w celu pozyskiwania energii cieplnej z pary. Jednak zawiłości tworzenia się pęcherzyków w kotłach nie są dobrze zrozumiane, po części dlatego, że trudno odtworzyć masę pęcherzyków podczas zabawy w laboratorium.
Watanabe i współpracownicy z Uniwersytetu Kyusyu i japońskich laboratoriów RIKEN zwrócili się ku komputerowi K, jednemu z najszybszych superkomputerów na świecie. Zbudowali program do symulacji zachowania milionów wirtualnych cząsteczek w ograniczonej przestrzeni wirtualnej, w tym przypadku pudełku. Przypisując każdej cząsteczce prędkość, obserwowali, jak się poruszają i tworzą bąbelki. Zespół odkrył, że do wytworzenia tylko jednej bańki potrzeba około 10 000 cząsteczek cieczy, więc musieli odwzorować ruch około 700 milionów cząsteczek, aby dowiedzieć się, jak zachowują się bańki masowo. Oto animacja pomniejszonej wersji ich symulacji:
Po utworzeniu wielu pęcherzyków dojrzewanie Ostwalda następuje do momentu, gdy pozostanie tylko jeden pęcherzyk. (H.Inaoka / RIKEN) Modele pomogły zespołowi potwierdzić, że bąbelki są zgodne ze strukturą matematyczną opracowaną w latach 60. XX wieku, zwaną teorią Lifshitza-Slyozova-Wagnera (LSW). Początkowo szybkość, z jaką cząsteczki mogą przechodzić z cieczy w gaz, reguluje szybkość powstawania pęcherzyków. Ta transformacja zachodzi na powierzchni bańki, więc wraz ze wzrostem prędkości parowania szybkość, z jaką cząsteczki cieczy mogą dotrzeć do powierzchni bańki, determinuje szybkość tworzenia i wzrostu.
Watanabe porównuje relacje z fabryką, w której maszyny biorą udział w procesie formowania pęcherzyków: „Jeśli wydajność maszyn w fabryce jest niska, wówczas wydajność produkcji zależy od wydajności maszyn. Jeśli wydajność maszyn jest wystarczająco dobra, wówczas szybkość produkcji zależy od dostaw materiałów źródłowych. ”
W podgrzewanych rurach układu turbiny gazowej pęcherzyki mogą zmniejszać wymianę ciepła i powodować zużycie, gdy ich pękanie wywiera niewielką siłę na metalową powierzchnię rury. To samo dzieje się, gdy umieścisz śmigło w wodzie: bąbelki formują się, pękają i stopniowo uszkadzają ostrza. Turbiny i śmigła zostały zoptymalizowane, aby zmniejszyć szkodliwe działanie pęcherzyków, ale Watanabe zauważa, „głęboka wiedza na temat zachowania się pęcherzyków pomoże nam znaleźć przełomowe pomysły na ich ulepszenie”.
Oprócz potencjalnie wspomagającej wydajność elektrowni, Watanabe widzi zastosowania do pracy w innych obszarach bogatych w bąbelki, takich jak te, które wykorzystują pianki lub stopy metali. „Wierzymy, że zrozumienie zachowania pęcherzyków na poziomie molekularnym pomoże nam poprawić wydajność wielu rodzajów urządzeń w najbliższej przyszłości”, mówi.
Na zdrowie.
