Missä tahansa tilanteessa on, samppanjakorkin pop tarkoittaa paineen vapauttamista - niin paljastuville paljastajille kuin sisällä olevalle nesteelle. Pullon avaaminen muuttaa nesteen painetta, antaen liuenneen hiilidioksidin kuplia ulos ja luomalla lasillesi tyypillisen kipinän.
Asiaan liittyvä sisältö
- 170-vuotias samppanja palautettiin (ja maistui) Itämeren laivan hylkystä
- Tiede miksi samppanja ilmestyy
- Tiede samppanjaa, vahingossa luoma kupliva viini
Vaikka perusteet sille, miksi samppanjakuplat tunnetaan melko hyvin, tutkijat yrittävät edelleen ratkaista joitain kuplan muodostumiseen liittyviä mysteerejä. Ehkä yllättäen, jäähdytetyn samppanjan kuplat käyttäytyvät samalla tavalla kuin höyryturbiineissa käytetyn kiehuvan veden kuplat, samoin kuin kuplat useissa teollisissa sovelluksissa.
"Kuplat ovat hyvin yleisiä jokapäiväisessä elämässä", sanoo Ranskan Reimsin yliopiston fyysikko Gérard Liger-Belair. "Niillä on tärkeä rooli monissa luonnollisissa ja teollisissa prosesseissa - fysiikassa, kemian ja koneenrakennuksessa, valtameri, geofysiikka, tekniikka ja jopa lääketiede. Siitä huolimatta heidän käyttäytymisensä ovat usein yllättäviä, ja monissa tapauksissa niitä ei vieläkään ymmärretä täysin. "
Yksi erinomainen mysteeri on se, kuinka nopeasti erikokoiset kuplat muodostuvat nesteissä. Se voi auttaa insinöörejä suunnittelemaan tehokkaampia kattilajärjestelmiä ja parantamaan tehoa höyrykäyttöisissä reaktoreissa. Käyttämällä supertietokonevoimaa kuplivan nesteen simulointiin Japanin tutkijat ovat nyt vahvistaneet, että se johtuu 1960-luvulla ehdotetusta matemaattisesta teoriasta.
"Tämä on ensimmäinen askel ymmärtääksesi kuinka kuplat ilmestyvät ja kuinka kuplat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostavat kuplia [molekyylitasolla]", sanoo tutkimuksen avustaja Hiroshi Watanabe, Tokion yliopiston fyysikko. Tulokset ilmestyvät tässä kuussa Journal of Chemical Physics -lehdessä .
Samppanjassa ja kiehuvassa vedessä kuplat käyvät läpi muutoksen nimeltä Ostwald-kypsyminen, joka nimettiin keksijälleen, 1800-luvun saksalaiselle kemistille Wilhelm Ostwaldille. Hän huomasi, että joko nesteen tai kiinteän aineen pienet hiukkaset liuoksessa vaihtavat suurempia, koska suuret hiukkaset ovat energeettisesti stabiilempia.
Kuplan tapauksessa pienemmällä pinnalla olevat nestemäiset molekyylit ovat vähemmän vakaita ja pyrkivät irrottautumaan. Samanaikaisesti molekyylit vedetään suurempien kuplien vakaille pinnoille. Ajan myötä pienten kuplien lukumäärä laskee ja suurten kuplien lukumäärä kasvaa antaen kokonaisnesteelle karkeamman tekstuurin. "Sen jälkeen kun samppanjan [pullon] purkamisen purkamisen aikana ilmestyy monia kuplia, kuplikannat alkavat vähentyä", sanoo Watanabe. ”Suuremmat kuplat suurenevat syömällä pienempiä kuplia, ja lopulta vain yksi kupla säilyy.” Sen lisäksi, että juoman kuplan muodostumista hallitaan, Ostwald-kypsytys on uudelleenjäädytetyn jäätelön hiekkarakenteen takana, koska se suosii juomien muodostumista. suurempia jääkiteitä, kun sulatettu seos jähmettyy.
Ruoka- ja juoma-alueen ulkopuolella Ostwald-kypsytys tapahtuu voimalaitoksissa, joissa kattilat lämmittävät vettä lämpöenergian keräämiseksi höyrystä. Kuitenkin, monimutkaisuutta siitä, kuinka kuplia muodostuu kattiloissa, ei ymmärretä hyvin, osittain siksi, että on vaikea luoda uudelleen kuplia puhdas massa laboratoriossa pelattaessa.
Watanabe ja hänen kollegansa Kyusyun yliopistosta ja Japanin RIKEN-laboratorioista kääntyivät K-tietokoneeseen, joka on yksi maailman nopeimmista supertietokoneista. He rakensivat ohjelman simuloida miljoonien virtuaalimolekyylien käyttäytymistä rajoitetussa virtuaalitilassa, tässä tapauksessa laatikossa. Antamalla kullekin molekyylille nopeuden, he seurasivat kuinka ne liikkuivat ja muodostuivat kuplia. Ryhmä sai selville, että vain yhden kuplan muodostamiseen kuluu noin 10 000 nestemolekyyliä, joten heidän piti kartoittaa noin 700 miljoonan molekyylin liikkeet selvittääkseen kuinka kuplat käyttäytyivät massassa. Tässä on animaatio heidän simulointien pienennetystä versiosta:
Usean kuplan muodostumisen jälkeen Ostwald kypsyy, kunnes vain yksi kupla on jäljellä. (H.Inaoka / RIKEN) Mallit auttoivat ryhmää vahvistamaan, että kuplat seuraavat 1960-luvulla kehitettyä matemaattista kehystä, nimeltään Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Aluksi nopeus, jolla molekyylit voivat siirtyä nesteestä kaasuun, säätelevät kuplan muodostumisen nopeutta. Tämä muutos tapahtuu kuplan pinnalla, joten haihtumisnopeuden kiihtyessä nopeus, jolla nestemäiset molekyylit voivat päästä kuplan pintaan, määrää muodostumis- ja kasvunopeuden.
Watanabe vertailee suhdetta tehtaaseen, jossa koneet seisovat kuplanmuodostusprosessissa: ”Jos koneiden suorituskyky tehtaalla on heikko, tehtaan tuotantoprosentti määräytyy koneiden suorituskyvyn perusteella. Jos koneiden suorituskyky on riittävän hyvä, tuotantoprosentti määräytyy lähdemateriaalien toimituksella. ”
Kaasuturbiinijärjestelmän lämmitetyissä putkissa kuplat voivat vähentää lämmönvaihtoa ja aiheuttaa kulumista, kun niiden aukeaminen kohdistaa pienen voiman putken metallipintaan. Sama asia tapahtuu, kun laitat potkurin veteen: Kuplat muodostuvat, poptuvat ja vahingoittavat terät vähitellen. Turbiinit ja potkurit on optimoitu vähentämään kuplien haitallisia vaikutuksia, mutta, Watanabe huomauttaa, "syvä käsitys kuplien käyttäytymisestä auttaa meitä löytämään läpimurtoideoita niiden parantamiseksi".
Mahdollisesti tehostavan voimalaitoksen tehokkuuden lisäksi Watanabe näkee sovelluksia töihin muilla kuplapitoisilla aloilla, kuten sellaisilla, jotka käyttävät vaahtoja tai metalliseoksia. "Uskomme, että kuplien käyttäytymisen ymmärtäminen molekyylitasolla auttaa meitä parantamaan monenlaisten laitteiden tehokkuutta lähitulevaisuudessa", hän sanoo.
Kippis siihen.
