Wat de gelegenheid ook is, de knal van een champagnekurk betekent het loslaten van druk - zowel voor de feestvierders die zich opdrinken als voor de vloeistof erin. Het openen van de fles verandert de druk op de vloeistof, waardoor het opgeloste koolstofdioxide naar buiten borrelt en de karakteristieke schittering in uw glas creëert.
gerelateerde inhoud
- 170 jaar oude champagne hersteld (en geproefd) van een Baltisch scheepswrak
- The Science of Why Champagne Pops
- The Science of Champagne, the Bubbling Wine Created by Accident
Hoewel de basisprincipes van waarom Champagne-bellen vrij goed bekend zijn, proberen wetenschappers nog steeds enkele mysteries op te lossen met betrekking tot bellenvorming. Misschien verrassend, gedragen bellen in gekoelde Champagne zich op dezelfde manier als bellen in het kokende water dat in stoomturbines wordt gebruikt, evenals bellen in verschillende industriële toepassingen.
"Bubbels zijn heel gewoon in ons dagelijks leven", zegt Gérard Liger-Belair, natuurkundige aan de Universiteit van Reims in Frankrijk. "Ze spelen een cruciale rol in veel natuurlijke en industriële processen - in fysica, chemische en mechanische engineering, oceanografie, geofysica, technologie en zelfs geneeskunde. Desondanks is hun gedrag vaak verrassend en in veel gevallen nog steeds niet volledig begrepen. ”
Een opmerkelijk mysterie is hoe snel bellen van verschillende grootte in vloeistoffen worden gevormd, iets dat ingenieurs zou kunnen helpen efficiëntere ketelsystemen te ontwerpen en de output van stoomaangedreven reactoren te verbeteren. Met behulp van supercomputingvermogen om borrelende vloeistof te simuleren, hebben onderzoekers in Japan nu bevestigd dat het allemaal neerkomt op een wiskundetheorie die in de jaren zestig werd voorgesteld.
"Dit is de eerste stap om te begrijpen hoe bellen verschijnen en hoe bellen op elkaar reageren tijdens de vorming van bellen [op] het moleculaire niveau, " zegt co-auteur Hiroshi Watanabe, een natuurkundige aan de Universiteit van Tokio. De resultaten verschijnen deze maand in het Journal of Chemical Physics .
In Champagne en in kokend water ondergaan bubbels een transformatie genaamd Ostwald-rijping, genoemd naar zijn ontdekker, de 19e-eeuwse Duitse chemicus Wilhelm Ostwald. Hij merkte op dat kleine deeltjes van een vloeistof of een vaste stof in een oplossing plaats zullen maken voor grotere, omdat grotere deeltjes energetisch stabieler zijn.
In het geval van een bel zijn moleculen vloeistof op een kleiner oppervlak minder stabiel en zullen ze de neiging hebben los te komen. Tegelijkertijd zullen moleculen worden getrokken naar de stabiele oppervlakken van grotere bellen. Na verloop van tijd daalt het aantal kleine bubbels en groeit het aantal grote bubbels, waardoor de algehele vloeistof een grovere textuur krijgt. "Nadat veel bubbels verschijnen op het moment van het ontkurken van een Champagne [fles], begint de populatie bubbels af te nemen", zegt Watanabe. "Grotere bubbels worden groter door kleinere bubbels te eten, en uiteindelijk zal slechts één bubbel overleven." Naast het beheersen van de bubbelvorming in uw drank, is Ostwald-rijping achter de zandige textuur van opnieuw ingevroren ijs, omdat het de vorming van grotere ijskristallen wanneer het gesmolten mengsel stolt.
Afgezien van het voedsel- en drankenrijk, vindt Ostwald-rijping plaats in energiecentrales waar ketels water verwarmen om de thermische energie uit stoom te oogsten. De complexiteit van hoe bellen zich vormen in ketels wordt echter niet goed begrepen, deels omdat het moeilijk is om de enorme massa bubbels die in een laboratorium spelen opnieuw te creëren.
Watanabe en collega's van Kyusyu University en de Japanse RIKEN-laboratoria wendden zich tot de K-computer, een van 's werelds snelste supercomputers. Ze bouwden een programma om het gedrag van miljoenen virtuele moleculen te simuleren binnen een beperkte virtuele ruimte, in dit geval een doos. Door elke molecule een snelheid toe te kennen, keken ze hoe ze zich bewogen en bubbels vormden. Het team ontdekte dat er ongeveer 10.000 moleculen vloeistof nodig zijn om slechts één bubbel te vormen, dus moesten ze de beweging van ongeveer 700 miljoen moleculen in kaart brengen om erachter te komen hoe de bubbels zich massaal gedroegen. Hier is een animatie van een verkleinde versie van hun simulaties:
Na het vormen van meerdere bellen vindt rijping van Ostwald plaats totdat slechts een enkele bel overblijft. (H.Inaoka / RIKEN) De modellen hielpen het team bevestigen dat bubbels een wiskundig raamwerk volgden dat in de jaren zestig was opgesteld, genaamd Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) theorie. In eerste instantie bepaalt de snelheid waarmee de moleculen van vloeistof naar gas kunnen overgaan de snelheid van bellenvorming. Deze transformatie vindt plaats aan het oppervlak van de bel, dus als de verdampingssnelheid versnelt, bepaalt de snelheid waarmee vloeibare moleculen het oppervlak van de bel kunnen bereiken de snelheid van vorming en groei.
Watanabe vergelijkt de relatie met een fabriek, waar machines het bubbelvormingsproces ondersteunen: “Als de prestaties van machines in de fabriek slecht zijn, wordt de productiesnelheid van de fabriek bepaald door de prestaties van de machines. Als de prestaties van machines goed genoeg zijn, wordt de productiesnelheid bepaald door de levering van bronmaterialen. ”
In de verwarmde pijpen van een gasturbinesysteem kunnen bellen de warmteuitwisseling verminderen en slijtage veroorzaken wanneer hun ploffen een kleine kracht op het metalen oppervlak van de pijp uitoefenen. Hetzelfde gebeurt als je een propeller in water zet: bellen vormen, ploffen en beschadigen geleidelijk de bladen. Turbines en propellers zijn geoptimaliseerd om de schadelijke effecten van bubbels te verminderen, maar, Watanabe opmerkt, "diep inzicht in het gedrag van bubbels zal ons helpen om baanbrekende ideeën te vinden om ze te verbeteren."
Watanabe is niet alleen nuttig voor de efficiëntie van elektriciteitscentrales, maar ziet ook toepassingen voor het werk in andere bellenrijke velden, zoals die met schuim of metaallegeringen. "Wij geloven dat het begrip van het gedrag van bellen op moleculair niveau ons zal helpen om de efficiëntie van vele soorten apparaten in de nabije toekomst te verbeteren, " zegt hij.
Proost daar op.
