Загадка закипания воды: Почему микроволновая печь ведет себя иначе?

Когда вы ждете, пока вода в кастрюле закипит, первые сигналы этого процесса появляются в виде мелких пузырьков. По мере того, как вода нагревается, пузырьки становятся больше, и, наконец, бурное закипание указывает на то, что вода достигла 100 градусов Цельсия (212 градусов Фаренгейта).

Но так ли это на самом деле? Люди, которые кипятили воду в микроволновке, заметят отсутствие пузырьков. Так почему же при закипании воды образуются пузырьки, а в микроволновой печи — нет?

Согласно словам специалистов по динамике жидкостей, наноразмерные пузырьки постоянно возникают и исчезают, когда вода нагревается над источником тепла, например, плиты. Температура, при которой пузырьки начинают заметно формироваться, может сильно превышать привычные значения точки кипения.

«Пункт кипения означает, что при температуре выше этого значения молекулы воды предпочитают находиться в газообразном состоянии, чем в жидком», — говорит Джонатан Борейко, специалист по динамике жидкостей из Вирджиния Тек. Свыше 212 °F внутреннея энергия молекул воды, известная как химический потенциал, становится ниже для газа, чем для жидкости, что делает пар наиболее стабильной формой.

Однако для того, чтобы закипеть, необходимо создать пузырь, что требует энергии. «Поэтому просто потому, что вам легче быть паром, не значит, что вы успешно закипите», — объясняет Борейко.

Таким образом, температура, при которой вода фактически закипает, является компромиссом между сбережением химической потенциальной энергии, получаемой от превращения в газ, и затратами энергии на образование пузыря.

Что важно, пузырь — это не просто объем газа, а еще и интерфейс между газом и жидкостью. Как и все жидкие интерфейсы, эта поверхность подвержена поверхностному натяжению.

Поверхностное натяжение — это сила, которая постоянно стремится сократить границу между газом и жидкостью до минимально возможной площади. Таким образом, пузырь должен содержать достаточно газа, чтобы сэкономить химическую потенциальную энергию больше, чем затраты на поверхностное натяжение интерфейса, что делает большие пузырьки более стабильными.

Следовательно, вода часто не закипает, пока не станет немного горячее 100 °C — это явление известно как сверхнагрение. Точка кипения указывает на температуру, при которой газ становится более стабильным по сравнению с жидкостью, а дополнительные градусы соответствуют энергии активации, необходимой для создания достаточно большого пузыря.

Однако на образование пузырьков влияют различные факторы. Растворенные газы, примеси в воде и поверхность контейнера могут снизить энергетический барьер для формирования пузыря. Неровности в жидкости создают особые точки нуклеации, вокруг которых могут образовываться пузырьки, уменьшая наказание за поверхность, возникающее при образовании полностью сферического пузыря.

К примеру, пузырь, образующийся на краю, представляет собой лишь половину сферы, что означает меньшую площадь поверхности и меньше необходимых затрат энергии. Поэтому первые пузырьки, как правило, появляются на границе кастрюли.

Закипание воды в микроволновках

С другой стороны, в микроволновке необычные условия нагрева подавляют образование пузырьков до такой степени, что вода может быть сверхнагрета на 20 °C (36 °F).

«Электромагнитные волны проникают в воду и возбуждают молекулы по всему объему, поэтому вода нагревается очень быстро и равномерно, в то время как на плите нагревается только дно кастрюли», — объясняет Борейко. Кроме того, в микроволновой печи вы обычно используете довольно гладкий контейнер, например, стеклянный, поэтому отсутствуют локализованные горячие точки, которые помогли бы преодолеть энергетический барьер для создания первого интерфейса.

Эта огромная запасенная химическая потенциальная энергия в сверхнагретаой жидкости спонтанно высвобождается в виде гигантского, взрывного пузыря, как только контейнер потревожен, что делает воду, нагретую в микроволновке, удивительно опасной.

Но сверхнагрение не является уникальным для воды; это возможно для любой жидкости. «У воды очень высокое поверхностное натяжение по сравнению с большинством жидкостей, однако, чем выше поверхностное натяжение, тем более драматическим становится эффект», — добавляет Борейко.

Таким образом, закипение воды — это не просто физический процесс, а сложная игра взаимосвязанных факторов, требующая внимания и понимания.