Безотносительно случая, пробка шампанского означает сброс давления - и для гуляк, собирающихся впитать, и для жидкости внутри. Открытие бутылки меняет давление на жидкость, позволяя растворенному углекислому газу выдуваться и создавать характерный блеск в вашем стакане.
Связанный контент
- 170-летнее шампанское, найденное (и пробованное) после крушения на Балтике
- Наука о том, почему шампанское всплывает
- Наука о шампанском, пузырящемся вине, созданном случайно
Хотя основы того, почему пузырьки шампанского довольно хорошо известны, ученые все еще пытаются разгадать некоторые загадки, связанные с образованием пузырьков. Возможно, что удивительно, пузырьки в охлажденном шампанском ведут себя так же, как пузырьки в кипящей воде, используемой в паровых турбинах, а также пузырьки в различных промышленных применениях.
«Пузыри очень распространены в нашей повседневной жизни, - говорит Жерар Лигер-Белер, физик из Реймского университета во Франции. - Они играют решающую роль во многих естественных, а также промышленных процессах - в физике, химической и машиностроении, океанография, геофизика, технологии и даже медицина. Тем не менее, их поведение часто удивляет и во многих случаях до сих пор не до конца понятно ».
Одна из выдающихся загадок заключается в том, как быстро в жидкостях образуются пузырьки разных размеров, что может помочь инженерам разработать более эффективные котельные системы и повысить производительность паровых реакторов. Используя суперкомпьютерные возможности для моделирования пузырящейся жидкости, исследователи в Японии теперь подтвердили, что все сводится к математической теории, предложенной в 1960-х годах.
«Это первый шаг к пониманию того, как пузырьки появляются и как пузырьки взаимодействуют друг с другом во время образования пузырьков [на] молекулярном уровне», - говорит соавтор исследования Хироши Ватанабе, физик из Токийского университета. Результаты появятся в этом месяце в журнале химической физики .
В шампанском и в кипящей воде пузыри претерпевают трансформацию, называемую созреванием Оствальда, названного в честь его первооткрывателя, немецкого химика 19-го века Вильгельма Оствальда. Он заметил, что мелкие частицы жидкости или твердого вещества в растворе уступят место более крупным, поскольку более крупные частицы энергетически более устойчивы.
В случае пузырька молекулы жидкости на меньшей поверхности менее устойчивы и будут стремиться отсоединиться. В то же время молекулы будут притягиваться к устойчивым поверхностям более крупных пузырьков. Со временем количество мелких пузырьков падает, а количество крупных пузырьков увеличивается, что придает жидкости в целом более грубую текстуру. «После того, как в момент откупорки шампанского появляется много пузырьков, количество пузырьков начинает уменьшаться», - говорит Ватанабе. «Большие пузырьки становятся больше, если есть меньшие пузырьки, и, в конце концов, выживет только один пузырь». В дополнение к управлению образованием пузырьков в вашем напитке созревание Оствальда находится за песчаной текстурой повторно замороженного мороженого, потому что оно способствует образованию большие кристаллы льда, когда расплавленная смесь затвердевает.
За пределами царства еды и питья созревание Оствальда происходит на электростанциях, где котлы нагревают воду для сбора тепловой энергии из пара. Тем не менее, тонкости формирования пузырей внутри котлов не совсем понятны, отчасти потому, что трудно воссоздать массу пузырьков, которые играют в лаборатории.
Ватанабе и его коллеги из университета Кюсю и японской лаборатории RIKEN обратились к компьютеру K, одному из самых быстрых суперкомпьютеров в мире. Они создали программу для имитации поведения миллионов виртуальных молекул в ограниченном виртуальном пространстве, в данном случае - в виде коробки. Назначая каждой молекуле скорость, они наблюдали за тем, как они двигаются и образуют пузырьки. Команда выяснила, что для образования одного пузыря требуется около 10000 молекул жидкости, поэтому им пришлось составить карту движения примерно 700 миллионов молекул, чтобы выяснить, как пузыри вели себя массово. Вот анимация уменьшенной версии их моделирования:
После образования нескольких пузырьков происходит созревание Оствальда, пока не останется только один пузырь. (H.Inaoka / RIKEN) Модели помогли команде подтвердить, что пузыри следуют математической структуре, разработанной в 1960-х годах под названием теория Лифшица-Слезова-Вагнера (LSW). Сначала скорость, с которой молекулы могут переходить из жидкости в газ, определяет скорость образования пузырьков. Это преобразование происходит на поверхности пузырька, поэтому по мере ускорения скорости испарения скорость, с которой молекулы жидкости могут достигать поверхности пузырька, определяет скорость образования и роста.
Ватанабэ сравнивает отношения с фабрикой, где машины заменяют процесс образования пузырьков: «Если производительность машин на фабрике низкая, то производительность завода определяется производительностью машин. Если производительность машин достаточно хорошая, то производительность зависит от поставки исходных материалов ».
В нагретых трубах газотурбинной системы пузырьки могут уменьшить теплообмен и вызвать износ, когда их выталкивание оказывает небольшое усилие на металлическую поверхность трубы. То же самое происходит, когда вы помещаете пропеллер в воду: пузыри образуются, лопаются и постепенно повреждают лопасти. Турбины и пропеллеры были оптимизированы для снижения вредного воздействия пузырьков, но, как отмечает Ватанабе, «глубокое понимание поведения пузырьков поможет нам найти прорывные идеи для их улучшения».
В дополнение к потенциальной поддержке эффективности электростанции, Ватанабе находит применение для работы в других богатых пузырьками областях, таких как те, которые используют пены или металлические сплавы. «Мы считаем, что понимание поведения пузырьков на молекулярном уровне поможет нам повысить эффективность многих видов устройств в ближайшем будущем», - говорит он.
Приветствия к этому.
