وقتی با عجله در انتظار به جوش آمدن آب در داخل قابلمه یا کتری هستیم، حباب ها معمولاً اولین نشانه ای هستند که ما را به پایان این انتظار امیدوار می کنند؛ اما اگر کمی توجه کرده باشید، وقتی آب را به قصد جوش آوردن در ماکروویو قرار می دهیم، از این مرحله مهم یعنی حباب زدن خبری نخواهد بود.

وقتی یک قابلمه آب را روی اجاق گاز می گذارید تا به جوش بیاید، حباب های ریز اولین نشانه ای هستند که نشان می دهند آب در آستانه جوشیدن است. با داغ تر شدن آب، حباب ها بزرگ تر می شوند تا زمانی که جوشیدن کامل صورت گرفته و آب به دمای 100 درجه سانتی گراد می رسد.

اما اگر آب را در ماکروویو جوشانده باشید، متوجه این موضوع شده اید که باوجود جوشیدن آب، خبری از حباب ها نخواهد بود. اینجاست که این سؤال مطرح می شود که چرا آبی که روی اجاق به جوش می آید حباب دارد، اما در ماکروویو نه.

طبق گفته متخصصان دینامیک سیالات، با گرم شدن آب بر روی یک منبع گرمایشی مثل اجاق گاز، حباب هایی در مقیاس نانو به طور مداوم ظاهرشده و از بین می روند؛ اما دمایی که در آن حباب های قابل توجه شروع به شکل گیری می کنند، گاهی بسیار بالاتر از نقطه جوش تئوری آب است.

جاناتان بوریکو، متخصص دینامیک سیالات در ویرجینیا تک دراین باره توضیح داد: نقطه جوش به این معناست که در هر دمایی بالاتر از آن، مولکول ها ترجیح می دهند بخار باشند تا مایع. یعنی در دمای بالاتر از 100 درجه سانتی گراد، انرژی ذاتی مولکول های آب (که به عنوان پتانسیل شیمیایی شناخته می شود)، برای حالت گاز پایین تر از حالت مایع است و این باعث می شود که بخار، پایدارترین شکل باشد.

بوریکو ادامه داد: برای اینکه واقعاً جوشیدن انجام شود، باید حباب ایجاد شود که این خودش یک هزینه انرژی دارد؛ بنابراین اینکه ترجیح می دهید بخار باشید، به این معنا نیست که با موفقیت خواهید جوشید.

یعنی دمایی که در آن آب واقعاً به جوش می آید، نتیجه مبادله ای بین انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره شده از طریق تبدیل شدن به گاز و انرژی صرف شده برای تشکیل حباب است.

نکته مهم این است که حباب فقط حجم گاز نیست، بلکه درواقع فصل مشترک بین فاز گاز و مایع هم هست و مثل تمام فصول مشترک مایعات، این سطح در معرض کشش سطحی قرار دارد؛ یعنی نیرویی که دائماً تلاش می کند مرز گاز و مایع را به کوچک ترین ناحیه ممکن کوچک کند.

این درباره یک حباب، به معنی فروپاشی کامل و بازگشت به یک مایع یکنواخت است. به همین خاطر، یک حباب پایدار باید آن قدری حاوی گاز باشد تا ذخیره انرژی پتانسیل شیمیایی، بزرگ تر از کشش سطحیِ فصل مشترک باشد؛ همین باعث می شود حباب های بزرگ تر پایدارتر باشند.

بوریکو توضیح داد: کشش سطحی اساساً یک هزینه انرژی به ازای واحد سطح است. حباب های واقعاً کوچک دارای نسبت سطح به حجم بسیار بزرگی هستند، درحالی که یک حباب بزرگ تر، سطح کوچک تری نسبت به حجم خود دارد. هر چه حباب بزرگ تر شود، حجم آن بیشتر شده و بر هزینه کشش سطحی غلبه می کند.

در نتیجه، آب معمولاً تا زمانی که کمی بیشتر از 100 درجه سانتی گراد گرم نشود، نمی جوشد؛ این پدیده را فوق داغ شدن (superheating) می نامند. البته نقطه جوش، دمایی است که در آن گاز پایدارتر از مایع می شود و درجه های اضافی، مربوط به انرژی فعال سازی موردنیاز برای ایجاد یک حباب به اندازه کافی بزرگ هستند.

میرکو گالو، متخصص دینامیک سیالات در دانشگاه ساپینزای رم هم دراین باره به این نکته اشاره کرده که عوامل مختلفی بر سهولت تشکیل این حباب ها تأثیرگذار هستند: گازهای حل شده و ناخالصی های آب و سطح ظرف همگی می توانند موانع انرژی برای تشکیل حباب را کاهش دهند.

این ناهماهنگی ها در داخل توده مایع، نقطه هسته زایی متمایزی را فراهم می کنند که حباب ها می توانند در اطراف آن شکل گرفته و درنتیجه از میزان مجازات کشش سطحی برای تشکیل یک حباب کاملاً کروی کاسته خواهد شد. گالو ادامه داد: اگر یک حباب روی یک لبه تشکیل شود، آن حباب فقط نیمی از یک کره است؛ بنابراین سطح کوچک تری دارید و به انرژی کمتری نیاز خواهد بود و به همین دلیل است که اولین حباب ها همیشه روی مرز و نزدیکی دیواره قابلمه شروع به ظاهر شدن می کنند.

اما در ماکروویو شرایط به نحو دیگری است و شرایط غیرعادی گرمایش، تشکیل حباب را آن چنان سرکوب می کند که می توان آب را تا 20 درجه سانتی گراد فوق داغ کرد.

بوریکو در این رابطه توضیح داد: وقتی آب را در ماکروویو گرم می کنید، نفوذ امواج الکترومغناطیسی باعث تحریک مولکول های آب را در کل حجم می شود؛ بنابراین آب خیلی سریع و یکنواخت گرم می شود؛ درحالی که روی اجاق گاز، دیواره پایینی قابلمه داغ ترین قسمت ماجراست. به علاوه شما معمولاً مایعات را در یک ظرف نسبتاً صاف مثل شیشه در ماکروویو گرم می کنید، بنابراین آن نقاط داغ موضعی که به شما کمک خواهند کرد تا بر آن مانع انرژی برای ایجاد اولین فصل مشترک غلبه کنید را در اختیار نخواهید داشت.

با ایجاد این آشفتگی ها در ظرف، ذخیره عظیم انرژی پتانسیل شیمیایی در مایع فوق داغ، به طور خودجوش در قالب یک حباب غول پیکر و انفجاری آزاد می شود و همین موضوع باعث می شود که آبی که در ماکروویو گرم شده و به جوش آمده، به طور شگفت انگیزی خطرناک شود.

البته گالو در ادامه توضیح داد که این فوق داغ شدن مختص آب نیست و وقوع این پدیده برای هر مایع دیگری هم امکان پذیر است. بوریکو هم در بخش پایانی توضیحاتش گفت: آب در مقایسه با اکثر مایعات، کشش سطحی بسیار بالایی دارد، اما اساساً هرچه کشش سطحی بالاتر باشد، اثر آن چشمگیرتر خواهد بود.