Fyzici vysvětlili složitou dráhu stoupajících bublin. Simulace byla v dobré shodě s experimentem.

Převaření vody je nám všem známý a známý proces, který je předzvěstí aromatického čaje, chutného oběda nebo čistého prádla, pokud jde o vyvařování a bělení prádla. Převaření vody ale není tak jednoduchý proces – ovlivňuje ho mnoho faktorů. V tomto článku se podíváme na to, jaké faktory ovlivňují rychlost a skutečnost varu, co se uvolňuje, když se voda vaří, a jak pochopit, že voda je připravena na vaření čaje a je prostě bezpečná k pití.

Jaké faktory ovlivňují var?

Vaření je fyzikální proces charakteristický pro jakoukoli látku. Var je proces přechodu látky z kapaliny na plyn. U vody se jedná o přechod vody v páru o teplotě 100 stupňů a normálním tlaku pro rovinu.
Všimněte si, že vaření není odpařování. K odpařování dochází vždy, ale k varu dochází pouze při určité teplotě a tlaku. Var se pozná podle charakteristických znaků: uvnitř vodního sloupce se tvoří bubliny, které směřují nahoru, voda je horká a nad ní je pára. Abyste věděli, že se voda vaří, stačí nad konvicí nebo pánví vidět bublinky a páru. Voda, která intenzivně vře, je považována za bezpečnou. Pokud se jen objeví bubliny, pak má pánev asi 60 stupňů, pokud se voda vaří pomalu – 80–90 stupňů. A pouze při aktivním varu má voda teplotu 100 stupňů.
Ne vždy je bod varu 100 stupňů, na které jsme zvyklí. Pojďme zjistit, co ovlivňuje var vody.
Zajímavá fakta o vaření:
· V horských oblastech voda vře při 75 stupních kvůli nízkému atmosférickému tlaku. Při této teplotě můžete vařit čaj, ale možná nebudete schopni uvařit cereálie, nemluvě o vaření masa.
· Slaná voda vře při teplotách nad 100 stupňů, přesná teplota závisí na koncentraci solí. V praxi to znamená, že voda z přírodních zdrojů může vařit při 105 nebo dokonce 110 stupních.
· Ve vakuu se bude voda vařit při 30 stupních – vodu na kávu není dobré vařit ve vakuové komoře, protože se nesvaří;
· Destilovaná voda se vaří při stejné teplotě jako běžná voda z kohoutku, ale vaří se o něco rychleji.
Když se voda vaří a je dlouhodobě vystavena vysokým teplotám, většina patogenních bakterií zemře. Při varu vody se také vysrážejí minerální soli, které se mohou usazovat na stěnách konvice.

Jak dlouho trvá, než se voda uvaří?

Tento ukazatel je ovlivněn mnoha faktory, každodenními i fyzickými.
Co ovlivňuje dobu varu vody:
· objem k vaření;
· čistota vody – čím méně solí a nečistot, tím rychleji se voda uvaří;
· vlastnosti nádoby – jak dlouho trvá, než se sama ohřeje, jak rychle uvolňuje teplo do okolí;
Je v místnosti zima?
· atmosférický tlak – nadmořská výška, počasí atd. Při vysokém tlaku bude voda déle vřít a zvýší se bod varu;
· teplota hořáku, ohně nebo jiného zdroje tepla pro ohřev.
Slušné množství tepla z hořáku pohltí nádobí – ve skutečnosti pánev ohřívá oheň nebo elektřina a vodu ohřívá pouze pánev. Nejrychlejší var, pokud jsou všechny ostatní věci stejné, bude v tenkostěnném železném hrnci, který se rychleji zahřeje a rychleji předá teplo vodě.
Zajímavostí je, že voda bez soli bude vařit rychleji, ale pokud přidáte sůl na začátku varu, dostanete převařenou vodu rychleji. Sůl zpomaluje var vody, ale urychluje proces varu.
Přesnou dobu varu vody lze vypočítat pomocí vzorce: t=(c1m1t°C1+c2m2t°C2+Lm)/N
Kde:
· c1, L – tepelná kapacita a měrné skupenské teplo vypařování vody, převzato z tabulek;
· m1—hmotnost vody;
· t°C – rozdíl mezi počáteční teplotou a teplotou potřebnou k varu;
· N – výkon topného zařízení;
m2 a c2 – vlastnosti nádoby, ve které se provádí var (hmotnost a tepelná kapacita).
Pro domácí potřebu můžeme pouze říci, že obvykle se litr vody vaří asi 10 minut, pokud je v hrnci na běžném domácím sporáku, a asi 3 minuty, pokud je v rychlovarné konvici. Var můžete urychlit přikrytím hrnce nebo konvice poklicí, pára se tím zachytí a teplo rychleji ohřeje vodu.

Jak poznáte, že se tekutina vaří?

Když se voda vaří, bude nesmírně těžké tento okamžik promeškat. Ve vodním sloupci se objevují charakteristické bubliny – nejprve na dně a na stěnách nádoby, poté se bubliny začnou oddělovat a pohybovat se nahoru. Zároveň uslyšíte bublání.
Proč se při varu vody tvoří bubliny? V nádobě jsou mikroskopické nepravidelnosti. Slouží jako centra vaporizace – objevují se zde bublinky s párou. Když se bublina páry dostane na hladinu vody, praskne a vypustí do vzduchu výron páry. Na hladině vody se hromadí pára.
Jakmile začne aktivní bublání vody, lze ji z kamen sundat. Voda má již teplotu 100 stupňů, pokud ji necháte dále ohřívat, začne se vařit a zcela se přemění v páru.
Voda se bude ještě nějakou dobu aktivně odpařovat. Pravděpodobně si pamatujete, jak se nad povrchem polévky nebo čaje tvoří pára – v tuto chvíli je teplota pokrmu dostatečně vysoká na to, aby se voda aktivně vypařovala.
Rychlost varu vody je ovlivněna její čistotou navíc čistá voda nezanechává vodní kámen a po převaření nemá nepříjemnou chuť. Abyste získali právě takovou čistou vodu, nainstalujte si do bytu nebo domu filtrační systém BARRIER. Můžete také použít filtrační konvici – její účinnost není nižší, pokud jde o filtrování malých objemů vody.

Američtí fyzici sestrojili detailní model výstupu vzduchové bubliny v destilované vodě. Ukázali, že od určité velikosti jsou bubliny schopny udržovat nestabilní oscilace. Tyto fluktuace vysvětlují složitou spirální nebo klikatou dráhu výstupu pozorovanou v každodenní zkušenosti. Výpočty vědců byly ve velmi dobré shodě s experimenty provedenými předchozími skupinami. Studie byla zveřejněna v Sborník Národní akademie věd.

Bubliny vzduchu nebo jiného plynu mohou výrazně změnit fyzikální a chemické vlastnosti kapaliny: bubliny mohou změnit chuť šampaňského, vyčistit povrchy a zlepšit akustickou manipulaci. Praktické použití bublin vyžaduje dobré fyzické pochopení jejich chování, ale to není tak jednoduché.

Například banální vznik bubliny vzduchu je plný mnoha nepochopitelných věcí. Da Vinci si také všiml, že když jeho velikost překročí určitou kritickou hodnotu, trajektorie výstupu přestane být přímá a stane se klikatou nebo spirálou. Dnes fyzici chápou, že tento efekt je způsoben složitými hydrodynamickými procesy na rozhraní vzduch-kapalina a také deformací bubliny v reakci na odporové síly. Navzdory tomu stále chybí uspokojivá shoda mezi modely a experimenty.

Miguel Herrada a Jens Eggers z Kalifornské univerzity v Berkeley se rozhodli tento problém vyřešit. Dokázali sestrojit numerický model výstupu bubliny vystavené narušení. Výsledky výpočtů byly v souladu s experimenty provedenými předchozími výzkumníky.

V první fázi autoři vyřešili soustavu Navier-Stokesových rovnic pro dvě nestlačitelná média: vodu a vzduch. Pro zjednodušení simulace pracovali v neinerciálním systému hlášení připojeném k horní části bubliny. Kinematické okrajové podmínky umožnily vypočítat volnou hladinu v systému proudění s přihlédnutím ke spojitosti rychlostí na hranici prostředí.

Simulace systému proudění ukázala, že bublina je toroidní vír způsobený interakcí vzduchu a vody na jejím rozhraní. Z tohoto důvodu zůstal tvar bubliny osově symetrický, ale odlišný od elipsy, jak je zvažováno ve většině ostatních děl. Fyzici porovnali, jak rychlost stoupání závisí na velikosti bubliny, vyjádřené jako její nerušený poloměr, s údaji získanými v experimentu s destilovanou vodou a zjistili velmi dobrou shodu.

V další fázi vědci zkoumali vliv na parametry bubliny (rychlost, tvar, zakřivení atd.) malé poruchy, vyjádřené jako modus periodický v čase a v polárním úhlu. Linearizace jim umožnila zredukovat problém na řešení rovnice pro vlastní vektory a vlastní hodnoty (frekvence), které provedli v MATLABu. Výsledné frekvence měly pomyslné složky, jejichž znaménko určovalo, zda bude porucha s časem doznívat nebo naopak zesilovat.

Opravdu, pro vzduch v čisté vodě se úplně první režimy staly nestabilními, počínaje nerušeným poloměrem bubliny 0,926 milimetru, což odpovídalo frekvenci oscilace 6,3 Hz. Tato čísla jsou v dobré shodě s výsledky stejného experimentu: prahový poloměr 0,91 milimetru a frekvence 6,4 Hz.

Reálné odchylky parametrů jsou vyjádřeny lineárními kombinacemi získaných řešení. Jaká kombinace se experimentálně projeví, závisí na počátečních podmínkách nebo nelineárních účincích. Autoři se zaměřili na modelování cikcak řešení. Ukázali, že v tomto případě bude bublina zažívat periodické naklánění v různých směrech. Děje se tak v důsledku asymetrie zakřivení, která pokaždé vytváří tlak působící v opačném směru, než je náklon. V budoucnu plánují fyzici zahrnout do modelu vliv nečistot, aby se přiblížili praktičtějším problémům.

Kromě bublin se v kapalině mohou objevit i antibubliny. Toto je název pro kulové vrstvy vzduchu obsahující uvnitř kapalinu (ne nutně stejnou). Jsou poměrně křehké, ale nedávno se fyzikům podařilo prodloužit jejich životnost na 13 hodin.