بعض الأشياء التي لم تكن تعرفها عن البيرة الخاصة بك (إلا إذا درست الديناميكا الحرارية)

ما هي العلاقة بين الفقاعات الموجودة في المشروبات الغازية والسحب والبلورات؟ فيزياء وكيمياء التكتل - موضوع يومي نظريته ليست بسيطة.

البيرة، مثل جميع المشروبات الغازية، مشبعة بالجزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) حل، أي جزيئات ثاني أكسيد الكربون₂ محاطة بجزيئات الماء التي لا تسمح لها بالالتصاق ببعضها البعض. ولكن فوق السائل يوجد ثاني أكسيد الكربون₂ وهو في حالة غازية "طبيعية" عند ضغط يبلغ حوالي 2 ضغط جوي (تقريبًا نفس الضغط في عجلات السيارة). كل جزء من الثانية بعض جزيئات ثاني أكسيد الكربون₂ أنه في الغاز يمر إلى سائل، بينما يتم إطلاق بعض الجزيئات من السائل إلى غاز. إذا لم نرج الزجاجة لفترة، فسوف تتساوى معدلات الانتقال، وسيتم الحصول على ما يسمى بالحالة 'توازن ديناميكي'.

ماذا يحدث عند فتح الفلين؟ يتم إطلاق الغاز المضغوط الموجود في منطقة الفوهة للخارج مرة واحدة، مما يؤدي إلى عدم توازن النظام. للوصول إلى حالة التوازن مرة أخرى، تحتاج جزيئات ثاني أكسيد الكربون₂ يتم إطلاق العديد منها من السائل إلى الهواء، ولكن بما أنه لا يمكن إطلاقها على الفور، فإنها تفعل ذلك ببطء وصبر بطريقة تسمى "الفقاعات". لاحظ أنه من أجل إنشاء فصل بين حزمة الغاز (الفقاعة) والسائل، يجب استثمار الطاقة. لماذا ؟ يمكننا أن نفكر في مجموعتين من الناس (على سبيل المثال، الأزرق والأحمر) ممتزجين مع بعضهم البعض بشكل موحد. إذا كانت حركة الناس عشوائية، فهناك فرصة ضئيلة جدًا لتشكل مجموعات متجانسة من الأشخاص من نوع واحد، على سبيل المثال، الحمر. من حيث الديناميكا الحرارية، لكي يحدث هذا درجة الاضطراب (الانتروبيا) يجب أن تنخفض، لذلك فهي ليست عملية تحدث بشكل عفوي.

سبب آخر هو سبب يتعلق بالروابط الكيميائية - تحتاج الفقاعة إلى تحريك جزيئات الماء بعيدًا عن بعضها البعض، ولهذا يجب كسر الروابط القوية نسبيًا بين جزيئات الماء (الروابط الهيدروجينية). ويؤكد كلا السببين أن إطلاق الغاز من السائل ليس عملية بسيطة.

وبما أن الأمر يتطلب استثماراً مرتفعاً نسبياً للطاقة، وهو ما لا يكون متوافراً عادة، فكيف تتشكل الفقاعات على أية حال؟ تذكر مجموعات الأشخاص المختلطة معًا، ولنفترض أنه في بعض الأماكن يوجد مذيعون ينادون عبر مكبرات الصوت "كل الألوان الحمراء لي!" من المتصور أن تتشكل وتنمو مجموعات "حمراء" حول المذيعين. يُطلق على المعادل المادي للإعلانات اسم "مواقع النواة" وتسمى عملية التجميعالتسلح النووي': تشكل الجسيمات الصغيرة في السائل نواة تتجمع حولها جزيئات الغاز لتكوين السطح الأولي الذي يفصلها عن السائل. منذ اللحظة التي تتشكل فيها فقاعة صغيرة (مجهرية)، تكون هناك حاجة إلى طاقة أقل بكثير، وبالتالي تتكشف العملية من تلقاء نفسها حتى يتم تكوين فقاعة كبيرة (مجهرية) تطفو إلى الأعلى. المواقع الأخرى التي تعمل كمواقع لتنوي الفقاعات هي فقاعات الهواء الموجودة في البداية - على سبيل المثال في الشقوق الصغيرة في الزجاج. تخلق الفقاعة الموجودة بالفعل منطقة لا يوجد بها ماء، ويتطلب توسيع الفقاعة الموجودة طاقة أقل بكثير من إنشاء فقاعة جديدة.

بالمناسبة، هناك العديد من العمليات في الطبيعة، لبدء هذه العمليات، هناك حاجة إلى طاقة أولية عالية نسبيًا - عتبة طاقة تسمى طاقة التفعيل. هذه العمليات لن تحدث لولا هؤلاء "الوسطاء" الذين يتوازى عملهم مع عمل مواقع النواة. على سبيل المثال، يتم تنشيط عدد لا يحصى من العمليات البيولوجية الانزيمات وهي عبارة عن جزيئات كبيرة يمكن أن تحدث على ظهرها تفاعلات كيميائية حيوية بسهولة نسبية، مثل ريبوسومات عادا يونات الذي ارتقى إلى العظمة. وعلى الرغم من أن نفس العمليات كانت ستحدث بدون وساطة الإنزيمات، إلا أنها كانت ستستغرق وقتًا أطول بكثير. في الكيمياء يسمى نفس الوسيط  'عامل حفاز' (عامل حفاز). هناك تفاعلات تكفي لتوفير طاقة التنشيط في البداية، شبيهة بالشرارة التي تبدأ الاحتراق أو كما غنى بروس سبرينغستين: لا يمكنك إشعال النار دون شرارة ثم يوفر التفاعل نفسه الطاقة. لكن هناك تفاعلات تتطلب إمدادًا مستمرًا بالطاقة.

العودة إلى العاصمة. كما ذكرنا سابقًا، يمكن أيضًا أن تكون مواقع النواة عبارة عن شقوق مجهرية في الزجاج. في المرة القادمة التي تنظر فيها إلى كوب من المشروبات الغازية، تذكر أن الفقاعات لا تتشكل بشكل عشوائي في كل مكان في السائل. في الواقع، هناك سلاسل من الفقاعات يمكن إرجاعها إلى نقاط محددة في الزجاج: هذه النقاط عبارة عن شقوق صغيرة تعمل كمواقع للتنوي. عندما يتم سكب مشروب غازي في كوب، يتم إنشاء الكثير من الرغوة لأن جميع الشقوق المجهرية تعمل كمولدات فقاعات تسلسلية: في كل مرة يتم إطلاق فقاعة، يخلي الموقع الذي أنشأها لتكوين فقاعة أخرى، وهكذا حتى نفاد ثاني أكسيد الكربون₂ أو أنه تم التوصل إلى توازن ديناميكي جديد. لتجنب الرغوة، يعلم السقاة أنه يجب ترطيب الجزء الداخلي من الكوب أولاً، ولكن لماذا؟ تعمل جزيئات الماء على "حجب" العيوب المجهرية في الزجاج مؤقتًا، وبالتالي تقلل بشكل كبير من فرصة تكوين الفقاعات. الفرق مثير للإعجاب - لا تتشكل رغوة تقريبًا.

"منتوس في فحم الكوك" إنه أحد التجارب التي أصبحت رمزًا ثقافيًا بفضل مئات مقاطع الفيديو التي تم تحميلها على موقع يوتيوب بواسطة أي طفل يبلغ من العمر 11 عامًا يحمل كاميرا فيديو. في البداية لم يكن من الواضح بالنسبة لي سبب خروج نبع ماء حار ضخم من فم الزجاجة - بدا الأمر غير طبيعي تقريبًا. هل هناك مادة غامضة في المنتوس تسبب إطلاق الغازات بقوة؟ اتضح لا. على الرغم من أن حلوى السرعوف تبدو ناعمة وملمسها، إلا أنها في الواقع خشنة للغاية من الناحية المجهرية. عندما يغوص في المشروب، تشكل المسام العديدة الموجودة فيه مواقع نوية لثاني أكسيد الكربون₂ يذوب في فحم الكوك، وفي الحال تتشكل فقاعات لا تعد ولا تحصى، والتي يتم إطلاقها بقوة نفاثة وتجرف معها بعض السائل. الشرح الكامل أكثر تعقيدا (وهناك أيضا في ويكيبيديا)، ولكن هذه هي الفكرة الأساسية. فريق البرنامج الرائع  الوقت الإعوجاجوالذي يتخصص في التصوير السريع (عدة إطارات في الثانية) تناول الموضوع:

والدليل على أنه لا يوجد شيء مميز في مشروب المنتوس، فإنه يتم الحصول على تأثير مماثل حتى لو قمنا برش الرمل أو السكر أو الملح على مشروبنا الغازي كما ترون כאן.

الكتاب  الغيوم في كوب من البيرة يصف تجارب بسيطة توضح المبادئ الفيزيائية للظواهر الجوية. في الحلقة الأولى ويشرح المؤلف السبب بعدة طرق، غيوم إنها صورة طبق الأصل للفقاعات الموجودة في المشروبات الغازية. تتشكل السحب عندما الرطوبة النسبية عالية بما يكفي لتكاثف جزيئات الماء في الحالة الغازية (البخار) في قطيرات صغيرة. من أجل تسريع هطول المطر، رش في الهواء (أو في الواقع، 'خنزيرة') جزيئات صغيرة تشكل نواة للقطرات، وهذا مشابه لتشتت الملح في البيرة الذي يسرع تكوين الفقاعات. يمكنك بالطبع إضافة المزيد من التفاصيل إلى المتوازي المقلوب:

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

قبل أن نقول وداعًا للبيرة، دعونا نتفحص ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام. عند فتح الغطاء، تظهر سحابة صغيرة في الجزء العلوي من الزجاجة. ما هي هذه السحابة وكيف تكونت؟ أولا، دعونا نتذكر مبدأ ديناميكي حراري معروف: التغيير السريع في ضغط الغاز يستلزم تغييرا في درجة الحرارة. على سبيل المثال، عندما يتم ضغط الغاز بسرعة ترتفع درجة حرارته (تسخن مضخة الدراجة أثناء النفخ)، وعندما يتمدد الغاز بسرعة تنخفض درجة حرارته (يبرد خزان الغاز المضغوط بعد بضع نقرات). بالمناسبة، نواجه هذا المبدأ في كل مرة نستخدمهامكيف هواء أو في الثلاجة على أساس دورات الضغط وزيادة حجم الغاز. في ضوء ذلك، من الممكن أن نفهم لماذا يؤدي انخفاض الضغط عند فوهة الزجاجة إلى انخفاض درجة الحرارة هناك. صدق أو لا تصدق، لكنه انخفاض حاد إلى حوالي ثلاثين درجة مئوية تحت الصفر، مما يتسبب في تكثف بخار الماء الموجود على الفور إلى قطرات ماء صغيرة، أي يتحول إلى سحابة (أو ضباب). إذا كانت هناك نوى نوية في منطقة الفوهة، مثل جزيئات الغبار الصغيرة، فسيتم الحصول على نفس التكثيف أيضًا في درجات الحرارة العادية، كما يتضح من هذه التجربة البسيطة والتي يمكنك صنعها في المنزل إذا لم تكن البيرة متوفرة في هذه الأثناء لقد حدث لك.