Todos los días, cientos de millones de cocinas de todo el mundo hierven agua varias veces al día. Alguien recuerda de inmediato el currículo escolar y la palabra inusual "cavitación" aparece en su memoria.
"Algunas burbujas explotan y, por lo tanto, ruido", incita el subconsciente. Pero pocas personas recuerdan el curso exacto del proceso. Y, además, pocas personas saben que el ruido es creado simultáneamente por dos fenómenos.
¿Qué está hirviendo?
¿Qué está hirviendo? Hay una definición clara: "La ebullición es la vaporización que ocurre simultáneamente en todo el volumen de líquido". Para comenzar el proceso, se deben cumplir las siguientes condiciones:
- La presencia de centros de vaporización;
- Entrada de calor constante;
El líquido alcanza una cierta temperatura, llamada punto de ebullición.
¿Por qué se forman burbujas de vapor en agua hirviendo?
Los centros de vaporización, alrededor de los cuales comienzan a aparecer las burbujas, son pequeñas grietas, manchas de grasa y partículas sólidas, partículas de polvo. Atrapan pequeños volúmenes de aire, y el líquido atrapa el aire hasta que comienza a hervir. El agua también contiene gases disueltos: oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono. Los enlaces entre las moléculas de gas y las moléculas de agua son débiles y se colapsan rápidamente al calentarse. Cuando se libera el gas disuelto, la presión del agua lo obliga a tomar la forma esférica más eficiente energéticamente. Resulta burbujas.
Después de la evolución del gas, el calor comienza a separar las moléculas líquidas.Se forma vapor, que se libera dentro de burbujas ya formadas. Entonces comienza el proceso de ebullición.
Causas del ruido de ebullición.
Los primeros signos de ebullición se pueden observar en el fondo del hervidor: hay la temperatura más alta, es allí donde aparecen las primeras burbujas. Cada uno de ellos contiene gas y vapor saturado. Si bien la burbuja es pequeña, está sujeta por la tensión superficial. Luego, las moléculas de agua que se mueven rápidamente y forman el vapor se acumulan dentro de la burbuja y comienza a aumentar. El desapego ocurre en el momento en que la fuerza de Arquímedes, al empujar la burbuja, se vuelve más que las fuerzas de tensión que la sostienen. La burbuja se libera y se precipita a la superficie.
El desprendimiento hace que el fluido vibre. Estas vibraciones son la primera causa del ruido de ebullición.. Puede estimar la frecuencia del sonido recibido. Es inversamente proporcional al tiempo que le toma a una burbuja separarse del fondo. El tiempo, sin embargo, caracteriza la fuerza de la oscilación causada por la separación.
Los cálculos mostraron que el tiempo de separación promedio es de aproximadamente 0.01 segundos, lo que significa que la frecuencia del sonido es de aproximadamente 100 Hz. Fueron estos datos los que permitieron a los científicos comprender que había otra razón para el ruido al hervir la tetera. Después de todo, la frecuencia real del sonido se midió y resultó ser un orden de magnitud mayor que el calculado.
El descubrimiento de la naturaleza dual del ruido fue realizado por el científico escocés Joseph Black. Esto sucedió en el siglo XVIII, durante su trabajo en la Universidad de Edimburgo.
La principal fuente de ruido al hervir agua.
Fue Joseph Black quien primero investigó el proceso de ebullición y estableció la fuente de ruido adicional. Descubrió que no todas las burbujas que salen del fondo y las paredes alcanzan la superficie. Y al comienzo del proceso de ebullición, ni una sola burbuja llega a la superficie: desaparecen en la columna de agua.
El fenómeno interesó tanto al científico que pasó varias noches sin dormir tratando de encontrar la causa de la desaparición de las burbujas. La investigación ha ayudado a llegar a la conclusión correcta. La respuesta fue simple: la diferencia de temperatura. Al comienzo de su movimiento, las burbujas están en la parte más caliente del recipiente. La presión de vapor saturada les permite mantener su forma esférica.
Cambio de sonido cuando hierve agua
Al subir, las burbujas caen en las capas más frías. El vapor comienza a condensarse, la presión interior cae. En algún momento, ya no puede mantener su forma y se derrumba. El fenómeno de formación, separación y colapso de burbujas durante la ebullición se denominó "cavitación".. Se llevaron a cabo los cálculos necesarios, que mostraron que la frecuencia del sonido durante el colapso es cercana al valor de 1000 Hz. Los datos corresponden a parámetros medidos experimentalmente. A medida que el líquido se calienta, las burbujas dejan de colapsar y el nivel de ruido cambia. La frecuencia del sonido disminuye notablemente. Pronto, sin excepción, todas las burbujas llegan a la superficie. El ruido disminuye, surge un "gorgoteo".
El nacimiento, la separación, el ascenso y el estallido de burbujas es un fenómeno físico que millones de personas ven todos los días. Pero hervir es más difícil de lo que parece al principio.Se pueden distinguir dos procesos: cavitación y oscilación de fluidos durante el desprendimiento de burbujas. Ambos producen un sonido distintivo, pero el efecto acústico de uno es fácil de distinguir del otro. Por el ruido, puede determinar fácilmente cuándo el agua en el hervidor se ha calentado a la temperatura deseada.
