غزال زیاری: وقتی با عجله در انتظار به جوش آمدن آب در داخل قابلمه یا کتری هستیم، حبابها معمولاً اولین نشانهای هستند که ما را به پایان این انتظار امیدوار میکنند؛ اما اگر کمی توجه کرده باشید، وقتی آب را بهقصد جوش آوردن در ماکروویو قرار میدهیم، از این مرحله مهم یعنی حباب زدن خبری نخواهد بود.
وقتی یک قابلمه آب را روی اجاقگاز میگذارید تا به جوش بیاید، حبابهای ریز اولین نشانهای هستند که نشان میدهند آب در آستانه جوشیدن است. با داغتر شدن آب، حبابها بزرگتر میشوند تا زمانی که جوشیدن کامل صورت گرفته و آب به دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد میرسد.
اما اگر آب را در ماکروویو جوشانده باشید، متوجه این موضوع شدهاید که باوجود جوشیدن آب، خبری از حبابها نخواهد بود. اینجاست که این سؤال مطرح میشود که چرا آبی که روی اجاق به جوش میآید حباب دارد، اما در ماکروویو نه
تفاوت در کجاست؟
طبق گفته متخصصان دینامیک سیالات، با گرم شدن آب بر روی یک منبع گرمایشی مثل اجاقگاز، حبابهایی در مقیاس نانو بهطور مداوم ظاهرشده و از بین میروند؛ اما دمایی که در آن حبابهای قابلتوجه شروع به شکلگیری میکنند، گاهی بسیار بالاتر از نقطهجوش تئوری آب است.
جاناتان بوریکو، متخصص دینامیک سیالات در ویرجینیا تک دراینباره توضیح داد: «نقطهجوش به این معناست که در هر دمایی بالاتر از آن، مولکولها ترجیح میدهند بخار باشند تا مایع.» یعنی در دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد، انرژی ذاتی مولکولهای آب (که بهعنوان پتانسیل شیمیایی شناخته میشود)، برای حالت گاز پایینتر از حالت مایع است و این باعث میشود که بخار، پایدارترین شکل باشد.
بوریکو ادامه داد: «برای اینکه واقعاً جوشیدن انجام شود، باید حباب ایجاد شود که این خودش یک هزینه انرژی دارد؛ بنابراین اینکه ترجیح میدهید بخار باشید، به این معنا نیست که با موفقیت خواهید جوشید.»
یعنی دمایی که در آن آب واقعاً به جوش میآید، نتیجه مبادلهای بین انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیرهشده از طریق تبدیلشدن به گاز و انرژی صرفشده برای تشکیل حباب است.
نکته مهم این است که حباب فقط حجم گاز نیست، بلکه درواقع فصل مشترک بین فاز گاز و مایع هم هست و مثل تمام فصول مشترک مایعات، این سطح در معرض کشش سطحی قرار دارد؛ یعنی نیرویی که دائماً تلاش میکند مرز گاز و مایع را به کوچکترین ناحیه ممکن کوچک کند.
این درباره یک حباب، به معنی فروپاشی کامل و بازگشت به یک مایع یکنواخت است. به همین خاطر، یک حباب پایدار باید آنقدری حاوی گاز باشد تا ذخیره انرژی پتانسیل شیمیایی، بزرگتر از کشش سطحیِ فصل مشترک باشد؛ همین باعث میشود حبابهای بزرگتر پایدارتر باشند.
بوریکو توضیح داد: «کشش سطحی اساساً یک هزینه انرژی به ازای واحد سطح است. حبابهای واقعاً کوچک دارای نسبت سطح به حجم بسیار بزرگی هستند، درحالیکه یک حباب بزرگتر، سطح کوچکتری نسبت به حجم خود دارد. هر چه حباب بزرگتر شود، حجم آن بیشتر شده و بر هزینه کشش سطحی غلبه میکند.»
در نتیجه، آب معمولاً تا زمانی که کمی بیشتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد گرم نشود، نمیجوشد؛ این پدیده را فوق داغ شدن (superheating) مینامند. البته نقطهجوش، دمایی است که در آن گاز پایدارتر از مایع میشود و درجههای اضافی، مربوط به انرژی فعالسازی موردنیاز برای ایجاد یک حباب بهاندازه کافی بزرگ هستند.
میرکو گالو، متخصص دینامیک سیالات در دانشگاه ساپینزای رم هم دراینباره به این نکته اشارهکرده که عوامل مختلفی بر سهولت تشکیل این حبابها تأثیرگذار هستند: «گازهای حلشده و ناخالصیهای آب و سطح ظرف همگی میتوانند موانع انرژی برای تشکیل حباب را کاهش دهند.»
این ناهماهنگیها در داخل توده مایع، نقطه هستهزایی متمایزی را فراهم میکنند که حبابها میتوانند در اطراف آن شکلگرفته و درنتیجه از میزان مجازات کشش سطحی برای تشکیل یک حباب کاملاً کروی کاسته خواهد شد. گالو ادامه داد: «اگر یک حباب روی یک لبه تشکیل شود، آن حباب فقط نیمی از یک کره است؛ بنابراین سطح کوچکتری دارید و به انرژی کمتری نیاز خواهد بود و به همین دلیل است که اولین حبابها همیشه روی مرز و نزدیکی دیواره قابلمه شروع بهظاهر شدن میکنند.»
جوشاندن آب در ماکروویو
اما در ماکروویو شرایط به نحو دیگری است و شرایط غیرعادی گرمایش، تشکیل حباب را آنچنان سرکوب میکند که میتوان آب را تا ۲۰ درجه سانتیگراد فوق داغ کرد.
بوریکو در این رابطه توضیح داد: «وقتی آب را در ماکروویو گرم میکنید، نفوذ امواج الکترومغناطیسی باعث تحریک مولکولهای آب را در کل حجم میشود؛ بنابراین آب خیلی سریع و یکنواخت گرم میشود؛ درحالیکه روی اجاقگاز، دیواره پایینی قابلمه داغترین قسمت ماجراست. بهعلاوه شما معمولاً مایعات را در یک ظرف نسبتاً صاف مثل شیشه در ماکروویو گرم میکنید، بنابراین آن نقاط داغ موضعی که به شما کمک خواهند کرد تا بر آن مانع انرژی برای ایجاد اولین فصل مشترک غلبه کنید را در اختیار نخواهید داشت.»
با ایجاد این آشفتگیها در ظرف، ذخیره عظیم انرژی پتانسیل شیمیایی در مایع فوق داغ، بهطور خودجوش در قالب یک حباب غولپیکر و انفجاری آزاد میشود و همین موضوع باعث میشود که آبی که در ماکروویو گرم شده و به جوش آمده، بهطور شگفتانگیزی خطرناک شود.
البته گالو در ادامه توضیح داد که این فوق داغ شدن مختص آب نیست و وقوع این پدیده برای هر مایع دیگری هم امکانپذیر است. بوریکو هم در بخش پایانی توضیحاتش گفت: «آب در مقایسه با اکثر مایعات، کشش سطحی بسیار بالایی دارد، اما اساساً هرچه کشش سطحی بالاتر باشد، اثر آن چشمگیرتر خواهد بود.»
منبع: livescience
۵۸۳۲۱