https://frosthead.com

Fisika Champagne Bubbles Boleh Membantu Kuasa Masa Depan

Walau apa pun peristiwa itu, pop tepung Champagne bermaksud pelepasan tekanan-keduanya untuk para penonton untuk menyerap dan untuk cecair dalam. Membuka botol mengubah tekanan pada cecair, yang membolehkan karbon dioksida terlarut menjadi gelembung dan mencipta berkilau ciri dalam kaca anda.

Kandungan Terkait

  • Champagne 170-Tahun-Lama Diperolehi (dan Dirasakan) Dari Kapal Karam Baltik
  • The Science of Why Champagne Pops
  • Sains Champagne, Wain Bubbling Dicipta oleh Kemalangan

Walaupun asas-asas mengapa gelembung Champagne cukup terkenal, saintis masih cuba menyelesaikan beberapa misteri yang berkaitan dengan pembentukan gelembung. Mungkin menghairankan, gelembung dalam Champagne yang sejuk bersikap sama dengan mereka yang menggunakan air mendidih yang digunakan dalam turbin stim, serta gelembung dalam pelbagai aplikasi perindustrian.

"Bubbles sangat biasa dalam kehidupan seharian kita, " kata Gérard Liger-Belair, seorang ahli fizik di University of Reims, Perancis. "Mereka memainkan peranan penting dalam banyak proses semulajadi dan industri dalam fizik, kimia dan kejuruteraan mekanikal, oseanografi, geofizik, teknologi dan juga ubat. Walau bagaimanapun, kelakuan mereka sering mengejutkan dan, dalam banyak kes, masih belum difahami sepenuhnya. "

Satu misteri yang luar biasa adalah berapa cepat gelembung bentuk yang berbeza dalam bentuk cecair, sesuatu yang dapat membantu jurutera merancang sistem dandang lebih cekap dan meningkatkan output daripada reaktor bertenaga stim. Menggunakan kuasa superkomputer untuk mensimulasikan cecair yang menggelegak, para penyelidik di Jepun telah mengesahkan bahawa semuanya datang ke teori matematik yang dicadangkan pada tahun 1960-an.

"Ini adalah langkah pertama untuk memahami bagaimana gelembung muncul dan bagaimana gelembung berinteraksi satu sama lain semasa pembentukan gelembung [pada] tahap molekul, " kata penulis bersama kajian Hiroshi Watanabe, seorang ahli fizik di Universiti Tokyo. Hasilnya muncul bulan ini dalam Journal of Chemical Physics .

Di Champagne dan di dalam air mendidih, gelembung mengalami perubahan yang dipanggil Ostwald, yang dinamakan untuk penemu, ahli kimia Jerman abad ke-19, Wilhelm Ostwald. Dia perhatikan bahawa zarah-zarah kecil sama ada cecair atau pepejal dalam penyelesaian akan memberi jalan kepada yang lebih besar, kerana zarah-zarah yang lebih besar lebih stabil.

Dalam kes gelembung, molekul cecair di permukaan yang lebih kecil kurang stabil dan cenderung untuk melepaskan. Pada masa yang sama, molekul akan ditarik ke permukaan yang stabil gelembung yang lebih besar. Dari masa ke masa, bilangan gelembung kecil jatuh dan jumlah gelembung besar tumbuh, memberikan cecair keseluruhan tekstur kasar. "Selepas banyak gelembung muncul pada saat membongkar botol [Champagne], penduduk gelembung mula berkurang, " kata Watanabe. "Gelembung yang lebih besar menjadi lebih besar dengan makan gelembung yang lebih kecil, dan akhirnya hanya satu gelembung yang akan bertahan." Di samping mentadbir pembentukan gelembung dalam minuman anda, pematangan Ostwald adalah di belakang tekstur berpasir es krim beku yang semula, kerana ia nikmat pembentukan kristal ais yang lebih besar apabila campuran cair menguatkan.

Di luar kawasan makanan dan minuman, pematangan Ostwald berlaku di dalam loji kuasa di mana dandang panas air untuk menuai tenaga terma dari stim. Walau bagaimanapun, kerumitan bagaimana gelembung bentuk dalam dandang tidak difahami dengan baik, sebahagiannya kerana sukar untuk mewujudkan semula gelembung semata-mata gelembung bermain di makmal.

Watanabe dan rakan-rakan dari Universiti Kyusyu dan makmal RIKEN Jepun beralih kepada komputer K, salah satu daripada superkomputer terpantas di dunia. Mereka membina satu program untuk mensimulasikan tingkah laku berjuta-juta molekul maya dalam ruang maya terkurung, dalam kes ini, sebuah kotak. Menetapkan setiap molekul dengan laju, mereka melihat bagaimana mereka bergerak dan membentuk gelembung. Pasukan mendapati bahawa ia memerlukan kira-kira 10, 000 molekul cecair untuk membentuk satu gelembung, jadi mereka terpaksa memetakan pergerakan sekitar 700 juta molekul untuk mengetahui bagaimana gelembung berkelakuan beramai-ramai. Inilah animasi versi berskala bawah simulasi mereka:

Bubbles3.gif Setelah berbentuk gelembung berbilang, pematangan Ostwald berlaku sehingga hanya gelembung tunggal. (H.Inaoka / RIKEN)

Model-model ini membantu pasukan mengesahkan bahawa gelembung mengikuti rangka matematik yang dibuat pada tahun 1960 yang dipanggil teori Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Pada mulanya, kelajuan di mana molekul boleh beralih dari cecair ke gas mengawal kelajuan pembentukan gelembung. Transformasi ini berlaku di permukaan gelembung, sehingga kadar penyejatan mempercepatkan, kelajuan di mana molekul cecair dapat mencapai permukaan gelembung menentukan kadar pembentukan dan pertumbuhan.

Watanabe menyamakan hubungan dengan sebuah kilang, di mana mesin berdiri untuk proses pembentukan gelembung: "Jika prestasi mesin di kilangnya kurang, maka kadar pengeluaran kilang ditentukan oleh prestasi mesin. Sekiranya prestasi mesin cukup baik, maka kadar pengeluaran ditentukan dengan bekalan bahan sumber. "

Dalam paip yang dipanaskan pada sistem turbin gas, gelembung dapat mengurangkan pertukaran haba dan menyebabkan memakai apabila mereka muncul memaksa kekuatan kecil pada permukaan logam paip. Perkara yang sama berlaku apabila anda meletakkan kipas di dalam air: Bentuk buas, pop dan secara beransur-ansur merosakkan bilah. Turbin dan kipas telah dioptimumkan untuk mengurangkan kesan buih yang memudaratkan, tetapi, Watanabe menegaskan, "pandangan yang mendalam mengenai kelakuan gelembung akan membantu kami mencari idea-idea terobosan untuk memperbaiki mereka."

Selain berpotensi untuk membantu kecekapan loji kuasa, Watanabe melihat permohonan untuk kerja di bidang yang kaya dengan gelembung, seperti yang menggunakan busa atau aloi logam. "Kami percaya bahawa pemahaman tentang gelembung di peringkat molekul akan membantu kami memperbaiki kecekapan pelbagai jenis peranti dalam masa terdekat, " katanya.

Ceria itu.

Fisika Champagne Bubbles Boleh Membantu Kuasa Masa Depan