Seja qual for a ocasião, o estampido de uma rolha de champanhe significa a liberação de pressão - tanto para os foliões prestes a absorver, quanto para o líquido interno. A abertura da garrafa altera a pressão no líquido, permitindo que o dióxido de carbono dissolvido borbole e crie o brilho característico em seu vidro.
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Embora as noções básicas de por que as bolhas de champanhe sejam bem conhecidas, os cientistas ainda estão tentando resolver alguns mistérios relacionados à formação de bolhas. Talvez surpreendentemente, as bolhas no champanhe refrigerado se comportam de maneira similar àquelas da água fervente usada nas turbinas a vapor, assim como as bolhas em uma variedade de aplicações industriais.
"As bolhas são muito comuns em nossa vida cotidiana", diz Gérard Liger-Belair, físico da Universidade de Reims, na França. "Eles desempenham um papel crucial em muitos processos naturais e industriais - em física, engenharia química e mecânica, oceanografia, geofísica, tecnologia e até medicina. No entanto, seu comportamento é muitas vezes surpreendente e, em muitos casos, ainda não totalmente compreendido ”.
Um mistério notável é a rapidez com que bolhas de diferentes tamanhos se formam em líquidos, algo que poderia ajudar os engenheiros a projetar sistemas de caldeira mais eficientes e melhorar a produção de reatores a vapor. Usando o poder de supercomputação para simular o líquido borbulhante, pesquisadores no Japão já confirmaram que tudo se resume a uma teoria matemática proposta na década de 1960.
"Este é o primeiro passo para entender como as bolhas aparecem e como as bolhas interagem umas com as outras durante a formação da bolha [no] nível molecular", diz o co-autor do estudo Hiroshi Watanabe, físico da Universidade de Tóquio. Os resultados aparecem este mês no Journal of Chemical Physics .
Em Champagne e em água fervente, as bolhas passam por uma transformação chamada Ostwald ripening, batizada em homenagem a seu descobridor, o químico alemão do século XIX Wilhelm Ostwald. Ele notou que pequenas partículas de um líquido ou de um sólido em uma solução darão lugar a partículas maiores, porque as partículas maiores são mais energeticamente estáveis.
No caso de uma bolha, as moléculas de líquido em uma superfície menor são menos estáveis e tendem a se desprender. Ao mesmo tempo, as moléculas serão atraídas para as superfícies estáveis das bolhas maiores. Com o passar do tempo, o número de bolhas pequenas diminui e o número de bolhas grandes cresce, dando ao líquido geral uma textura mais grosseira. “Depois que muitas bolhas aparecem no momento de abrir uma garrafa [Champagne], a população de bolhas começa a diminuir”, diz Watanabe. "Bolhas maiores tornam-se maiores comendo bolhas menores e, finalmente, apenas uma bolha sobreviverá." Além de governar a formação de bolhas em sua bebida, o amadurecimento Ostwald está por trás da textura arenosa do sorvete re-gelado, porque favorece a formação de cristais de gelo maiores quando a mistura derretida se solidifica.
Além do reino da comida e bebida, o amadurecimento de Ostwald ocorre em usinas elétricas onde as caldeiras aquecem a água para extrair a energia térmica do vapor. No entanto, as complexidades de como as bolhas se formam dentro das caldeiras não são bem compreendidas, em parte porque é difícil recriar a enorme massa de bolhas em um laboratório.
Watanabe e colegas da Kyusyu University e dos laboratórios RIKEN do Japão recorreram ao computador K, um dos supercomputadores mais rápidos do mundo. Eles construíram um programa para simular o comportamento de milhões de moléculas virtuais dentro de um espaço virtual restrito, neste caso, uma caixa. Atribuindo a cada molécula uma velocidade, observaram como se moviam e formavam bolhas. A equipe descobriu que são necessárias cerca de 10 mil moléculas de líquido para formar apenas uma bolha, de modo que elas tiveram que mapear o movimento de aproximadamente 700 milhões de moléculas para descobrir como as bolhas se comportavam em massa. Aqui está uma animação de uma versão reduzida de suas simulações:
Depois que várias bolhas se formam, o amadurecimento de Ostwald ocorre até que apenas uma única bolha permaneça. (H.Inaoka / RIKEN) Os modelos ajudaram a equipe a confirmar que as bolhas seguem uma estrutura matemática criada na década de 1960, chamada teoria de Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). A princípio, a velocidade com que as moléculas poderiam transitar de líquido para gás governa a velocidade da formação de bolhas. Essa transformação ocorre na superfície da bolha, de modo que, à medida que a taxa de evaporação se acelera, a velocidade com que as moléculas líquidas podem atingir a superfície da bolha determina a taxa de formação e crescimento.
Watanabe compara a relação com uma fábrica, onde as máquinas substituem o processo de formação de bolhas: “Se o desempenho das máquinas na fábrica é ruim, então a taxa de produção da fábrica é determinada pelo desempenho das máquinas. Se o desempenho das máquinas é bom o suficiente, então a taxa de produção é determinada pelo fornecimento de materiais de origem. ”
Nos tubos aquecidos de um sistema de turbina a gás, as bolhas podem diminuir a troca de calor e causar desgaste quando seu estalo exerce uma pequena força na superfície metálica do tubo. A mesma coisa acontece quando você coloca uma hélice na água: Bolhas se formam, estouram e gradualmente danificam as lâminas. Turbinas e hélices foram otimizadas para reduzir os efeitos prejudiciais das bolhas, mas, Watanabe ressalta, "insights profundos sobre o comportamento das bolhas nos ajudarão a encontrar idéias inovadoras para melhorá-las".
Além de potencialmente ajudar na eficiência da usina, Watanabe vê aplicações para o trabalho em outros campos ricos em bolhas, como aqueles que usam espumas ou ligas metálicas. "Acreditamos que a compreensão do comportamento das bolhas no nível molecular nos ajudará a melhorar a eficiência de muitos tipos de dispositivos em um futuro próximo", diz ele.
Felicidades para isso.
