Какъвто и да е поводът, попът на тапа от шампанско означава освобождаване на налягането - както за откривателите, които предстои да впият, така и за течността вътре. Отварянето на бутилката променя налягането върху течността, което позволява на разтворения въглероден диоксид да изплува и да създаде характерната искрица във вашата чаша.
Свързано съдържание
- 170-годишно шампанско, възстановено (и вкусно) от корабокрушение в Балтийско море
- Науката защо шампанското изскача
- Наука за шампанското, виното, създадено от злополука
Докато основите за това защо шампанските мехурчета са доста известни, учените все още се опитват да разрешат някои мистерии, свързани с образуването на балони. Може би е изненадващо, че мехурчетата в охладено шампанско се държат подобно на тези във врящата вода, използвани в парните турбини, както и с мехурчета в различни индустриални приложения.
„Балончетата са много често срещани в нашето ежедневие, казва Джерард Лигер-Белер, физик от Университета в Реймс във Франция.„ Те играят решаваща роля в много природни и промишлени процеси - във физиката, химическата и машинната техника, океанография, геофизика, технологии и дори медицина. Въпреки това тяхното поведение често е изненадващо и в много случаи все още не се разбира напълно. "
Една изключителна мистерия е колко бързо се образуват мехурчета с различни размери в течности, нещо, което би могло да помогне на инженерите да проектират по-ефективни котелни системи и да подобрят производството на реактори с парно захранване. Използвайки суперизчислителна сила за симулиране на кипяща течност, изследователите в Япония потвърдиха, че всичко се свежда до математическата теория, предложена през 60-те години.
„Това е първата стъпка да разберем как се появяват мехурчета и как мехурчетата си взаимодействат по време на образуването на мехурчета [на] молекулярното ниво“, казва съавторът на изследването Хироши Ватанабе, физик от университета в Токио. Резултатите се появяват този месец в Journal of Chemical Physics .
В Шампанско и във вряща вода мехурчетата претърпяват трансформация, наречена узряване на Ostwald, наречена за своя откривател, немският химик от 19 век Вилхелм Оствалд. Той забеляза, че малките частици или в течност, или в твърдо вещество в разтвор ще отстъпят на по-големите, защото по-големите частици са по-енергийно стабилни.
В случай на мехур, молекулите на течността на по-малка повърхност са по-малко стабилни и са склонни да се отделят. В същото време молекулите ще бъдат изтеглени към стабилните повърхности на по-големи мехурчета. С течение на времето броят на малките мехурчета спада и броят на големите мехурчета нараства, което придава на общата течност по-груба текстура. „След като се появят много мехурчета в момента на отпушване на шампанско [бутилка], популацията на мехурчета започва да намалява“, казва Ватанабе. „По-големите мехурчета стават по-големи, като се хранят с по-малки мехурчета и накрая само един балон ще оцелее.“ Освен че управлява образуването на балончета в напитката си, узряването на Ostwald стои зад песъчливата текстура на замразения сладолед, тъй като благоприятства образуването на по-големи ледени кристали, когато разтопената смес се втвърдява.
Отвъд сферата на храната и напитките, зреенето в Ostwald се случва в електроцентрали, където котлите отопляват водата за събиране на топлинната енергия от пара. Въпреки това, тънкостите за това как се образуват мехурчета в котлите не са добре разбрани, отчасти защото е трудно да се създаде повторно масата от мехурчета при игра в лаборатория.
Ватанабе и колегите от университета в Кюсю и японските лаборатории RIKEN се насочиха към компютъра K, един от най-бързите в света суперкомпютри. Те изградиха програма за симулиране на поведението на милиони виртуални молекули в ограничено виртуално пространство, в случая кутия. Присвоявайки всяка молекула на скорост, те наблюдаваха как се движат и образуват мехурчета. Екипът откри, че са необходими около 10 000 молекули течност, за да се образува само един балон, така че те трябваше да картографират движението на приблизително 700 милиона молекули, за да разберат как мехурчетата се държат масово. Ето анимация на намалена версия на техните симулации:
След образуването на множество мехурчета, узряването на Ostwald настъпва, докато остане само един балон. (H.Inaoka / RIKEN) Моделите помогнаха на екипа да потвърди, че балончетата следват математическа рамка, разработена през 60-те години на миналия век, наречена теория на Лифшиц-Сльозов-Вагнер (LSW). Отначало скоростта, с която молекулите могат да преминат от течност в газ, управлява скоростта на образуване на мехурчета. Тази трансформация се случва на повърхността на мехура, така че с ускоряване на скоростта на изпаряване, скоростта, с която течните молекули могат да достигнат повърхността на балона, определя скоростта на образуване и растеж.
Watanabe оприличава взаимоотношенията с фабриката, където машините застъпват процеса на образуване на мехурчета: „Ако работата на машините във фабриката е лоша, тогава производственият процент на фабриката се определя от работата на машините. Ако работата на машините е достатъчно добра, тогава скоростта на производство се определя от доставката на изходни материали. "
В отопляемите тръби на газотурбинната система мехурчетата могат да намалят топлообмена и да причинят износване, когато изскачането им упражнява малка сила върху металната повърхност на тръбата. Същото се случва, когато поставите витла във вода: мехурчета се образуват, пукате и постепенно увреждате лопатките. Турбините и витлите са оптимизирани, за да намалят пагубните ефекти на мехурчетата, но, подчертава Ватанабе, „дълбоките прозрения за поведението на мехурчетата ще ни помогнат да намерим пробивни идеи за подобряването им“.
В допълнение към потенциално подпомагане на ефективността на електроцентралите, Watanabe вижда приложения за работа в други полета, богати на балони, като например тези, които използват пени или метални сплави. „Ние вярваме, че разбирането на поведението на мехурчетата на молекулярно ниво ще ни помогне да подобрим ефективността на много видове устройства в близко бъдеще“, казва той.
Наздраве за това.
