Vsak dan na stotine milijonov kuhinj po svetu večkrat na dan zavre vodo. Nekdo se takoj spomni šolskega učnega načrta in nenavadna beseda „kavitacija“ se mu zaskoči.
"Nekateri mehurčki počijo - in zato hrup," pomožno poziva podzavest. Toda malo ljudi se spomni natančnega poteka postopka. In poleg tega le malo ljudi ve, da hrup ustvarjata hkrati dva pojava.
Kaj vre?
Kaj vre? Obstaja jasna definicija: "Vretje je uparjanje, ki se pojavi hkrati v celotnem volumnu tekočine." Za začetek postopka morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:
- Prisotnost vaporizacijskih centrov;
- Stalen vnos toplote;
Tekočina doseže določeno temperaturo, ki jo imenujemo vrelišče.
Zakaj se v vreli vodi oblikujejo parni mehurčki?
Središča izparevanja, okoli katerih se začnejo pojavljati mehurčki, so majhne razpoke, mastne lise in trdni delci - prašni delci. Lovijo majhne količine zraka, tekočina pa lovi zrak, dokler se ne začne vreti. Voda vsebuje tudi raztopljene pline: kisik, dušik, ogljikov dioksid. Vezi med molekuli plina in molekulo vode so šibke in se hitro segrejejo, ko se segrejejo. Ko se raztopljeni plin sprosti, ga pritisk vode sili v energijsko najučinkovitejšo - sferično obliko. Izkaže se mehurčki.
Po evoluciji plina začne toplota ločevati molekule tekočine.Oblikuje para, ki se sprošča znotraj že oblikovanih mehurčkov. Tako se začne postopek vrenja.
Vzroki hrupa
Prve znake vrenja lahko opazimo na dnu kotlička - tam je najvišja temperatura, tam se pojavijo prvi mehurčki. Vsak od njih vsebuje plin in nasičeno paro. Medtem ko je mehurček majhen, ga zadržuje površinska napetost. Nato se hitro premikajoče se molekule vode, ki tvorijo paro, nakopičijo znotraj mehurčka in ta začne rasti. Odmik nastopi v trenutku, ko sila Arhimeda, ki potisne mehurček, postane več kot sile napetosti, ki ga držijo. Mehurček se sprosti in hiti na površje
Ločenost povzroči, da tekočina vibrira. Te vibracije so prvi vzrok hrupa.. Lahko ocenite frekvenco prejetega zvoka. To je obratno sorazmerno s časom, kako se mehurček odcepi od dna. Čas pa zaznamuje moč vibracije, ki jo povzroči ločitev.
Izračuni so pokazali, da je povprečni čas ločevanja približno 0,01 sekunde, kar pomeni, da je frekvenca zvoka približno 100 Hz. Prav ti podatki so znanstvenikom omogočili razumevanje, da obstaja nek drug razlog za hrup, ko je kotliček vrel. Navsezadnje je bila izmerjena resnična frekvenca zvoka in izkazalo se je, da je velikost večja od izračunane.
Odkritje dvojne narave hrupa je naredil škotski znanstvenik Joseph Black. To se je zgodilo v 18. stoletju, med njegovim delom na univerzi v Edinburghu.
Glavni vir hrupa pri vreli vodi
Joseph Black je prvi raziskal postopek vrenja in ugotovil vir dodatnega hrupa. Ugotovil je, da vsi mehurčki, ki prihajajo od dna in sten, dosežejo površino. In na začetku procesa vrenja niti en mehurček ne doseže površine - izginejo v vodni stolpec.
Pojav je znanstvenika tako zanimal, da je preživel več neprespanih noči, ko je skušal najti vzrok izginotja mehurčkov. Raziskave so pripomogle k pravemu sklepu. Odgovor je bil preprost - temperaturna razlika. Na začetku gibanja so mehurčki v najbolj vročem delu posode. Tlak nasičenih hlapov omogoča, da ohranijo sferično obliko.
Zvok se spremeni pri vreli vodi
Pri premikanju navzgor mehurčki padejo v hladnejše plasti. Para se začne kondenzirati, tlak znotraj pade. V nekem trenutku ne more več zadržati oblike in propada. Pojav tvorbe, odvajanja in propada mehurčkov med vrenjem so imenovali "kavitacija". Izvedeni so bili potrebni izračuni, ki so pokazali, da je frekvenca zvoka med zlomom blizu vrednosti 1000 Hz. Podatki ustrezajo eksperimentalno izmerjenim parametrom. Ko se tekočina segreva, mehurčki prenehajo propadati in raven hrupa se spreminja. Frekvenca zvoka se izrazito zmanjša. Kmalu brez izjeme vsi mehurčki pridejo na površje. Hrup utihne, pojavi se "gurg".
Rojstvo, ločitev, vzpon in razbijanje mehurčkov je fizični pojav, ki ga vsak dan vidijo milijoni ljudi. Toda vreti je težje, kot se sprva zdi.Ločimo lahko dva procesa: kavitacijo in nihanje tekočine med odvajanjem mehurčkov. Obe ustvarjata značilen zvok, vendar je zvočni učinek enega enostavno razlikovati od drugega. Po hrupu lahko enostavno ugotovite, kdaj se je voda v kotličku segrela na želeno temperaturo.