E un ritual de bază: când aștepți ca o oală cu apă să se încălzească pe aragaz, apariția bulelor mici este primul semn că lucrurile se mișcă. Pe măsură ce apa se încinge, bulele devin mai mari, până când fierberea intensă semnalează că apa a atins pragul magic de 100°C.
Dar oricine a fiert apă în cuptorul cu microunde probabil a observat o lipsă notabilă a acestui spectacol. Deci, de ce apa care fierbe are bule… cu excepția celei din cuptorul cu microunde? Și ce se întâmplă, de fapt, acolo?
De ce apa clocotită face bule?
Potrivit specialiștilor în dinamica fluidelor, chiar dacă bulele la scară nanometrică apar și se sparg constant pe măsură ce apa se încălzește, temperatura la care încep să se formeze bule vizibile poate fi, de fapt, mult mai mare decât punctul de fierbere teoretic.
„Punctul de fierbere înseamnă că, la orice temperatură peste această valoare, moleculele sunt mai fericite să fie vapori decât lichide”, a explicat Jonathan Boreyko, specialist în dinamica fluidelor la Virginia Tech. Peste 100°C, energia intrinsecă a moleculelor de apă – potențialul chimic – este mai mică pentru gaz decât pentru lichid, făcând vaporii starea cea mai stabilă.
„Dar pentru a realiza efectiv fierberea, trebuie să creezi o bulă, ceea ce implică un cost energetic. Așadar, doar pentru că ești mai fericit sub formă de vapori nu înseamnă că vei fierbe cu succes.”, a declarat Boreyko conform Live Science.
Prin urmare, temperatura la care apa fierbe efectiv este un compromis: energia economisită prin transformarea în gaz trebuie să fie mai mare decât energia consumată pentru a forma o bulă.
Lupta: tensiunea superficială vs. energie
Esențial este că o bulă nu este doar un volum de gaz; este și o interfață între faza gazoasă și cea lichidă. Și, ca toate interfețele lichide, această suprafață este supusă tensiunii superficiale.
Tensiunea superficială este o forță care încearcă constant să micșoreze acea graniță, practic încercând să strivească bula înapoi într-un lichid uniform. O bulă stabilă trebuie să conțină suficient gaz încât energia economisită să depășească costul tensiunii superficiale.
„Tensiunea superficială este, în esență, un cost energetic pe suprafață. Bulgării foarte mici au un raport suprafață-volum foarte mare, în timp ce un bulgăre mai mare are o suprafață mai mică în raport cu volumul său. Cu cât volumul este mai mare, cu atât domină, depășind costul tensiunii superficiale.”, a spus Boreyko.
În consecință, apa nu fierbe adesea până când nu este puțin mai fierbinte decât 100°C – un fenomen cunoscut sub numele de supraîncălzire. Punctul de fierbere marchează temperatura la care gazul devine mai stabil, iar gradele suplimentare corespund energiei de activare necesare pentru a crea o bulă suficient de mare.
Totuși, diverși factori pot ajuta, după cum a declarat Mirko Gallo, specialist în dinamica fluidelor la Universitatea Sapienza din Roma. „Gazele dizolvate, impuritățile din apă și suprafața recipientului pot reduce bariera energetică pentru formarea bulei.”
Aceste neregularități oferă un „punct de nucleație” distinct în jurul căruia se pot forma bule, reducând energia necesară. „Dacă formezi o bulă pe margine, aceasta este doar o jumătate de sferă, deci ai o suprafață mai mică și vei avea nevoie de mai puțină energie”, a adăugat el. „De aceea, primele bule încep să apară întotdeauna la marginea vasului.”
De ce cuptorul cu microunde este o capcană a supraîncălzirii
Aici lucrurile devin periculoase. În cuptorul cu microunde, condițiile neobișnuite de încălzire suprimă formarea bulelor atât de eficient încât este posibilă supraîncălzirea apei cu până la 20°C peste punctul de fierbere.
„Undele electromagnetice pătrund și excită moleculele de apă în întregul volum, astfel încât apa se încălzește foarte repede și uniform, în timp ce pe aragaz, peretele inferior al oalei este cel care se încălzește cel mai mult. De asemenea, tendința este de a încălzi lucrurile în cuptorul cu microunde într-un recipient destul de neted – de exemplu, din sticlă – astfel încât să nu existe acele puncte fierbinți localizate care vă ajută să depășiți bariera energetică.”, a explicat Boreyko.
Rezultatul? O imensă rezervă de energie potențială chimică stocată în lichidul supraîncălzit, care nu are unde să se ducă. Această energie este eliberată spontan sub forma unui balon gigant și exploziv imediat ce recipientul este agitat (de exemplu, când îl scoți sau adaugi o linguriță). Acest fenomen face ca apa încălzită în cuptorul cu microunde să fie surprinzător de periculoasă.
Supraîncălzirea nu este exclusivă apei; este posibilă pentru orice lichid, a spus Gallo. „Apa are o tensiune superficială foarte mare în comparație cu majoritatea lichidelor, dar, în esență, cu cât tensiunea superficială este mai mare, cu atât efectul este mai dramatic”, a adăugat Boreyko.
