Bubliny nejsou jen „efekt“, ale nástroj, jak voda uniká z varu

Ve školních učebnicích se píše, že voda vaří při 100 °C. Ve skutečnosti je to jen orientační hodnota za normálního tlaku – a navíc předpokládá, že voda má možnost opravdu přejít do páry.

Fyzici popisují bod varu jako teplotu, při které je pro molekuly „energeticky výhodnější“ být v plynném stavu než v kapalném. Jinými slovy: nad touto teplotou je pára stabilnější než kapalina. Jenže z molekul vody se nejprve musí vytvořit bublina páry, a to něco stojí – vzniká nové rozhraní mezi kapalinou a plynem, které drží pohromadě povrchové napětí. Na to upozorňuje i fluidní dynamik Jonathan Boreyko z Virginia Tech v rozhovoru pro Live Science. 

Malá bublina má obrovský povrch vůči svému objemu, a právě povrchová energie je to, co var brzdí. Aby se bublina nezhroutila, potřebuje dostatečný objem páry uvnitř, který „zaplatí“ energetický účet za nové rozhraní. Proto ve skutečnosti voda často nezačne viditelně vřít přesně při 100 °C, ale o několik stupňů později – tento jev se nazývá superohřev. Voda je už nad bodem varu, ale ještě se jí nepodařilo vytvořit stabilní bubliny.

Jak bubliny vznikají v hrnci na sporáku

Na klasickém sporáku se voda ohřívá odspodu. Dno hrnce je nejteplejší, vytváří lokální „horká místa“, kde se molekuly snadno utrhnou z kapaliny do páry. A právě tam vidíme první bublinky – obvykle přisedlé k povrchu hrnce nebo ke stěně.

Důvod? Bubliny potřebují tzv. nukleační jádra – drobné nerovnosti, škrábance, částečky nečistot nebo i mikroskopické kapsy rozpustných plynů, které v kapalině zůstaly. Na tyto body se pára „přichytí“ a nemusí vytvářet dokonale kulovou, energeticky drahou bublinu. Od hrany nebo škrábance jí stačí jakoby „půlkoule“, takže povrchová energie je menší. Na tuto roli nečistot a povrchu nádoby upozorňuje i fluidní dynamik Mirko Gallo z Římské univerzity Sapienza.

Jakmile se v těchto místech vytvoří první stabilní bubliny, začnou růst, zvedat se vzhůru a při dosažení hladiny praskají. Voda tak může postupně a relativně bezpečně uvolňovat tepelnou energii – viditelné bublání je vlastně znakem toho, že systém odvádí teplo plynule a bez velkých překvapení.

Mikrovlnka: všude horko, ale nikde bubliny

Mikrovlnná trouba ohřívá vodu úplně jiným způsobem. Elektromagnetické vlny pronikají kapalinou a uvádějí do pohybu molekuly vody v celém objemu najednou. Voda se tak často zahřívá poměrně rovnoměrně, aniž by na dně či stěnách vznikala výrazná horká místa.

Navíc většinou používáme hladké sklenice nebo keramické hrnky, které mají minimum škrábanců či nerovností. Přidejte k tomu relativně klidné prostředí uvnitř mikrovlnky – voda se při ohřevu téměř nehýbe – a získáte ideální podmínky pro superohřev: voda překročí teplotu varu, ale žádné bubliny se nevytvoří.

Takto superohřátá voda může být i o 20 °C teplejší, než je její běžný bod varu, jak ukazují experimenty s vodou ohřívanou v mikrovlnce popsané například v Journal of Chemical Education. Přitom na pohled vypadá úplně klidně – hladina je nehybná, žádné bublinky, žádný var.

Proč je superohřátá voda nebezpečná

Superohřev je fyzikálně tzv. metastabilní stav. Kapalina je už za hranicí, kde by měla být pára stabilnější, ale chybí jí startovní impuls – nukleační jádro. Jakmile ten impuls dodáme, systém se „utrhne ze řetězu“.

Stačí do superohřáté vody vhodit lžičku, čajový sáček, instantní kávu nebo hrnek jen prudčeji pohnout. Nový předmět přinese do kapaliny nerovnosti a kapsy vzduchu, které poslouží jako nukleační jádra. Voda se náhle začne měnit v páru a vznikne jedna obří, rychle rostoucí bublina, která může prudce vyrazit vzhůru, vystříknout z hrnku a opařit toho, kdo ji právě vyndal z mikrovlnky. Tento mechanismus varovně popisují i popularizační texty např. Univerzity v Novém Jižním Walesu.

Nejde přitom o kuriozitu z laboratoře – případy opaření z „klidného“ hrnku z mikrovlnky se objevují i v lékařských statistikách. Superohřev je navíc obecný jev: podobně se dají superochladit kapaliny pod bod mrazu, pokud v nich není žádný krystalek ledu, na který by se začala stavět krystalická mřížka.

Jak ohřívat vodu v mikrovlnce bezpečněji

Závěr zní trochu paradoxně: z hlediska bezpečnosti je „nedokonalá“ voda v „ošoupaném“ hrnku lepší než dokonale čistá voda v hladké, nové sklenici. Čím víc má systém přirozených nukleačních jader, tím menší je riziko, že se voda superohřeje a vybouchne až ve chvíli, kdy s ní manipulujeme.

Několik praktických rad pro domácnost:

• Nedělejte z vody laboratorní vzorek. Nepoužívejte destilovanou nebo extrémně filtrovanou vodu, pokud ji chcete ohřívat v mikrovlnce. Běžná kohoutková voda má víc rozpuštěných plynů a minerálů, které tvoří přirozená nukleační jádra.

• Do hrnku vždy něco vložte. Dřevěné míchátko, plastovou lžičku nebo alespoň čajový sáček. Poslouží jako povrch, na němž se bubliny mohou bezpečně tvořit už během ohřevu.

• Ohřívejte v kratších intervalech a mezi nimi míchejte. Krátké dávky mikrovln a promíchání pomáhají rozbít případný superohřev dřív, než se stane nebezpečným.

• Pozor při vyndávání hrnku. Nedržte obličej přímo nad nádobou a nemanipulujte s ní prudce. Pokud chcete přidat sáček čaje nebo kávu, udělejte to opatrně, ideálně nad dřezem.

Malá lekce fyziky z vaší kuchyně

Rozdíl mezi bublajícím hrncem na sporáku a tichým hrnkem z mikrovlnky krásně ukazuje, jak citlivá je příroda na detaily. Na jedné straně máte nerovný kovový hrnec, vzduchové bublinky a nečistoty, které usnadňují vznik mnoha malých bublinek a plynulé uvolňování páry. Na druhé straně stojí hladký skleněný hrnek, rovnoměrné elektromagnetické ohřívání a téměř žádné nukleační body – ideální prostředí pro superohřev, kde se energie hromadí, dokud nenajde cestu ven v podobě náhlého „výbuchu“ varu.

Příště, až budete stát nad hrncem na sporáku nebo sahat do mikrovlnky pro hrnek s vodou na čaj, možná si vzpomenete, že nejde jen o každodenní rutinu. V kuchyni se právě odehrává malá ukázka termodynamiky a fyziky rozhraní, která řeší inženýři při návrhu chladicích systémů, parních kotlů i kosmických sond. Jen s tím rozdílem, že vám doma jde „jen“ o to, abyste si neopařili prsty.