Każdego dnia setki milionów kuchni na całym świecie gotuje wodę kilka razy dziennie. Ktoś natychmiast przypomina sobie szkolny program nauczania, a niezwykłe słowo „kawitacja” pojawia się w jego pamięci.
„Niektóre pęcherzyki pękają - a zatem hałas” - podpowiada podświadomość. Ale niewiele osób pamięta dokładny przebieg tego procesu. Ponadto niewiele osób wie, że hałas jest wytwarzany jednocześnie przez dwa zjawiska.
Co się gotuje
Co się gotuje Istnieje jasna definicja: „Wrzenie to odparowywanie, które zachodzi jednocześnie w całej objętości cieczy”. Aby rozpocząć proces, muszą być spełnione następujące warunki:
- Obecność centrów parowania;
- Stały dopływ ciepła;
Ciecz osiąga określoną temperaturę, zwaną temperaturą wrzenia.
Dlaczego we wrzącej wodzie tworzą się bąbelki pary?
Ośrodkami parowania, wokół których zaczynają się pojawiać pęcherzyki, są małe pęknięcia, tłuste plamy i cząstki stałe - cząsteczki pyłu. Zatrzymują małe ilości powietrza, a ciecz zatrzymuje powietrze, aż zacznie wrzeć. Woda zawiera także rozpuszczone gazy: tlen, azot, dwutlenek węgla. Wiązania między cząsteczkami gazu i cząsteczkami wody są słabe i szybko rozpadają się po podgrzaniu. Po uwolnieniu rozpuszczonego gazu ciśnienie wody zmusza go do przyjęcia najbardziej energooszczędnego - sferycznego kształtu. Okazuje się, że bąbelki.
Po wydzieleniu gazu ciepło zaczyna rozdzielać cząsteczki cieczy.Formy pary, które są uwalniane wewnątrz już utworzonych pęcherzyków. Rozpoczyna się proces wrzenia.
Przyczyny wrzącego hałasu
Pierwsze oznaki wrzenia można zaobserwować na dnie czajnika - tam jest najwyższa temperatura, tam pojawiają się pierwsze bąbelki. Każdy z nich zawiera gaz i nasyconą parę wodną. Podczas gdy bąbelek jest mały, jest utrzymywany przez napięcie powierzchniowe. Następnie szybko poruszające się cząsteczki wody tworzące parę gromadzą się w bańce i zaczynają się zwiększać. Oderwanie następuje w momencie, gdy siła Archimedesa, popychająca bańkę, staje się większa niż siły ją utrzymujące. Bańka zostaje uwolniona i pędzi na powierzchnię
Oderwanie powoduje wibrację płynu. Wibracje te są pierwszą przyczyną wrzącego hałasu.. Możesz oszacować częstotliwość odbieranego dźwięku. Jest odwrotnie proporcjonalny do czasu, w którym bąbelek odrywa się od dna. Czas charakteryzuje jednak siłę oscylacji spowodowanej separacją.
Obliczenia wykazały, że średni czas separacji jest rzędu 0,01 sekundy, co oznacza, że częstotliwość dźwięku wynosi około 100 Hz. To właśnie te dane pozwoliły naukowcom zrozumieć, że istnieje inny powód hałasu, gdy czajnik się gotuje. W końcu rzeczywista częstotliwość dźwięku została zmierzona i okazała się o rząd wielkości większa niż obliczona.
Odkrycia podwójnej natury hałasu dokonał szkocki naukowiec Joseph Black. Stało się to w XVIII wieku, podczas pracy na uniwersytecie w Edynburgu.
Głównym źródłem hałasu podczas wrzenia wody
To Joseph Black pierwszy zbadał proces wrzenia i ustalił źródło dodatkowego hałasu. Odkrył, że nie wszystkie bąbelki z dna i ścian docierają na powierzchnię. A na samym początku procesu wrzenia ani jeden bąbelek nie dociera do powierzchni - znika w kolumnie wodnej.
Zjawisko tak zainteresowało naukowca, że spędził kilka nieprzespanych nocy próbując znaleźć przyczynę zniknięcia bąbelków. Badania pomogły wyciągnąć właściwe wnioski. Odpowiedź była prosta - różnica temperatur. Na początku ruchu bąbelki znajdują się w najgorętszej części statku. Nasycona prężność pary pozwala im zachować kulisty kształt.
Zmiana dźwięku podczas gotowania wody
Podczas przemieszczania się pęcherzyki wpadają w chłodniejsze warstwy. Para zaczyna się kondensować, ciśnienie wewnątrz spada. W pewnym momencie nie jest już w stanie utrzymać swojego kształtu i upada. Zjawisko powstawania, oddzielania i zapadania się pęcherzyków podczas gotowania nazwano „kawitacją”. Przeprowadzono niezbędne obliczenia, które wykazały, że częstotliwość dźwięku podczas zawalenia jest zbliżona do wartości 1000 Hz. Dane odpowiadają eksperymentalnie mierzonym parametrom. Gdy płyn się nagrzewa, bąbelki przestają się zapadać i zmienia się poziom hałasu. Częstotliwość dźwięku znacznie spada. Wkrótce bez wyjątku wszystkie bąbelki docierają na powierzchnię. Hałas cichnie, pojawia się „bulgotanie”.
Narodziny, separacja, bulgotanie i pękanie baniek to zjawisko fizyczne, które miliony ludzi widzą każdego dnia. Ale gotowanie jest trudniejsze, niż się wydaje.Można wyróżnić dwa procesy: kawitację i oscylację płynu podczas odrywania pęcherzyków. Oba wytwarzają charakterystyczny dźwięk, ale efekt akustyczny jednego z nich jest łatwy do odróżnienia od drugiego. Dzięki hałasowi można łatwo ustalić, kiedy woda w czajniku rozgrzeje się do pożądanej temperatury.
