تُعد الفقاعات أول مؤشر على غليان الماء على الموقد، حيث تبدأ الفقاعات الدقيقة بالظهور مع ارتفاع درجة الحرارة تدريجيًا حتى بلوغ 100° مئوية، إلا أنه عند تسخين الماء في الميكروويف، غالبًا ما تختفي هذه الفقاعات، وهو ما يثير التساؤل العلمي: لماذا لا يظهر الماء المغلي في الميكروويف بنفس العلامات التقليدية للغليان؟.
كيف تتشكل الفقاعات في الماء المغلي؟
وفقًا لموقع ” لايف ساينس”، يرى علماء ديناميكيات الموائع، أن الفقاعات النانوية تتشكل في الماء باستمرار وتنهار أثناء التسخين على مصدر حرارة مثل الموقد. ومع ذلك، قد تكون درجة الحرارة التي تبدأ عندها الفقاعات الملحوظة أعلى أحيانًا من درجة الغليان النظرية للماء.
ويشرح جوناثان بوريكو، عالم ديناميكيات الموائع في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا، “تعني نقطة الغليان أنه عند أي درجة حرارة أعلى من هذه، تكون جزيئات الماء أكثر استقرارًا في حالتها البخارية منها في حالتها السائلة”.
ويضيف أنه عند درجة حرارة أعلى من 212° فهرنهايت، تكون الطاقة الذاتية لجزيئات الماء (الجهد الكيميائي) أقل في حالة الغاز منها في حالة السائل، مما يجعل البخار الشكل الأكثر استقرارًا.
وأوضح جوناثان بوريكو ، أن الوصول إلى درجة الغليان لا يكتفي بارتفاع حرارة الماء، إذ يجب أولاً تشكيل فقاعة، وهو ما يحتاج إلى طاقة إضافية. وأضاف: “مجرد وصول الماء لدرجة حرارة مرتفعة لا يضمن الغليان الفوري.”
ويشير بوريكو، إلى أن درجة الغليان الفعلية للماء تمثل توازنًا بين الطاقة الكيميائية الناتجة عن تحول الماء إلى بخار والطاقة اللازمة لتكوين الفقاعة.
الأمر الأكثر أهمية، أن الفقاعة ليست مجرد غاز، بل هي أيضًا سطح يفصل بين الغاز والسائل، وهذا السطح يخضع لقوة تسمى التوتر السطحي. ويعمل التوتر السطحي على تقليص مساحة الفقاعة، مما قد يجعلها تنهار ويعود الماء إلى حالته السائلة. لذا، لكي تبقى الفقاعة مستقرة، يجب أن تحتوي على كمية كافية من الغاز تجعل الطاقة الكيميائية أكبر من قوة التوتر السطحي، ولهذا تكون الفقاعات الأكبر حجمًا أكثر ثباتًا.
ويشرح جوناثان بوريكو أن “التوتر السطحي يشبه تكلفة الطاقة لكل وحدة مساحة”. وأضاف: “الفقاعات الصغيرة لديها مساحة كبيرة بالنسبة لحجمها، بينما الفقاعات الكبيرة لديها مساحة أصغر، مما يجعلها أكثر استقرارًا”.
وبسبب ذلك، غالبًا ما لا يغلي الماء إلا بعد تجاوز 212° فهرنهايت قليلًا، وهي الظاهرة المعروفة باسم فرط التسخين. فدرجة الغليان تشير إلى النقطة التي يصبح عندها البخار أكثر استقرارًا من السائل، بينما تمثل الحرارة الإضافية الطاقة اللازمة لتكوين فقاعة كبيرة مستقرة
وأوضح ميركو جالو عالم ديناميكيات السوائل في جامعة سابينزا في روما، أن عوامل مثل الغازات المذابة، الشوائب في الماء، وسطح الوعاء تلعب دورًا في تقليل حاجز الطاقة اللازم لتكوين الفقاعات. وأضاف أن هذه العيوب في السائل توفر نقاط تبلور يمكن أن تتشكل حولها الفقاعات، مما يقلل من تأثير التوتر السطحي الناتج عن تكوين فقاعة كروية كاملة.
وأَضاف جالو: “إذا تشكلت الفقاعة على حافة الوعاء، فإنها تكون نصف كرة فقط، ما يعني مساحة سطح أصغر واحتياجًا أقل للطاقة. ولهذا السبب تظهر الفقاعات الأولى دائمًا على حواف الأوعية”.
ماذا يحدث عند غلي الماء في الميكروويف؟
على النقيض من التسخين التقليدي، يؤدي الميكروويف إلى قمع تكوين الفقاعات بشكل فعال، بحيث يمكن تسخين الماء حتى 36° فهرنهايت (20° مئوية) فوق درجة الغليان قبل أن تتشكل الفقاعات.
وأوضح جوناثان بوريكو، أن “الموجات الكهرومغناطيسية تخترق جزيئات الماء وتُثيرها في كامل حجمها، ما يسخّن الماء بسرعة وبشكل متساوٍ، بينما على الموقد يكون الجزء السفلي للوعاء هو الأكثر سخونة”. وأضاف: “يفضل استخدام أوعية أملس، مثل الزجاج، لتجنب النقاط الساخنة الموضعية التي تساعد على تجاوز حاجز الطاقة لتكوين الفقاعة الأولى”.
وأشار بوريكو إلى أن كمية الطاقة الكيميائية المخزنة في الماء المسخن في الميكروويف تُطلق فجأة على شكل فقاعة عملاقة متفجرة عند تحريك الوعاء، ما يجعل الماء المسخن في الميكروويف خطيرًا بشكل مدهش.
وليس هذا الارتفاع الكبير في درجة الحرارة حكراً على الماء، إذ يمكن أن يحدث لأي سائل، كما يقول جالو. وأضاف بوريكو: “الماء يتميز بتوتر سطحي مرتفع مقارنة بمعظم السوائل، وكلما ارتفع التوتر السطحي، كانت الظاهرة أكثر دراماتيكية”.
اقرأ أيضًا :
بصمة تغير المناخ.. الأعاصير والفيضانات تضرب بقوة أكبر
