Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Fyzika ve sklenici

Skláři musejí na vnitřku pivních půllitrů záměrně vytvářet nedokonalosti, aby při čepování či nalévání vznikal dostatečný počet bublin a pivo mělo tu správnou čepici

Vznik bublinek v perlivém nápoji podléhá termodynamickým zákonům. Rozpustnost oxidu uhličitého v pivu, kole či minerálce závisí na tlaku plynu nad hladinou kapaliny a na teplotě systému. Tvorba bubliny v kapalině po snížení tlaku ale není jednoduchá záležitost.

Jen malé množství původních bublinek přežije, většina z nich zkolabuje a plyn se znovu rozpustí v kapalině. Bez nukleačních center na stěnách sklenice by žádné pivo od čepu ani z láhve nemělo tu správnou pěnu. Taková centra mohou být do kapaliny přesycené plynem dodána zvnějšku nebo mohou vzniknout dynamicky třeba rázovou vlnou. Dva níže popsané experimenty na toto téma lze provést kdekoliv, možná ale, že bude třeba poté experimentální prostor řádně uklidit…

Termodynamika v hlavní roli

Pivo, sekt, kola, minerálka, to všechno jsou kapaliny sycené plynem. V kapalinách jsou plyny v omezené míře rozpustné a jejich rozpustnost roste s rostoucím tlakem nad kapalinou podle Henryho zákona. Ten říká, že hmotnostní zlomek plynu rozpuštěného za dané teploty v kapalině je přímo úměrný tlaku plynu nad kapalinou. Velikost konstanty úměrnosti v tomto fyzikálním zákonu, absorpčního koeficientu, klesá s rostoucí teplotou. Proto se rozpustnost plynů s vyšší teplotou snižuje. S důsledky Henryho zákona musejí počítat také lidé, kteří se pohybují v prostředí s vyšším tlakem než atmosférickým, třeba potápěči nebo pacienti v hyperbarické komoře. Pokud by se rychle ocitli v prostředí s atmosférickým tlakem, do krve by se jim uvolnily bublinky dusíku, který se rozpustil v jejich krvi difúzí za zvýšeného tlaku, a trpěli by tzv. kesonovou nemocí.

Termodynamika nutí plyn po otevření láhve perlivého nápoje tvořit v kapalině bublinky. Tím se systém vrací ke stavu termodynamické rovnováhy odpovídající nižšímu tlaku, než byl nad hladinou při zavřené láhvi. Totéž se děje při čepování piva, bublinky stoupají k hladině a na povrchu ve sklenici vzniká pěna. Tvorba bubliny v kapalině ale není vůbec jednoduchá záležitost. Na počátku jsou totiž bublinky velmi malé a tlak v těchto nepatrných bublinách, které mají v průměru jen desetitisícinu milimetru, může dosahovat až třicetinásobku atmosférického tlaku. Protože s rostoucím tlakem rozpustnost plynu roste, plyn se znovu rozpouští v kapalině a bublinka zaniká. Jen určité procento bublinek dosáhne takové velikosti, aby se začaly zvětšovat a přežily. A proto se bubliny mnohem snáze vytvářejí kolem nukleačních center. To jsou např. částice prachu, nerovnosti na povrchu sklenice či škrábance. Tato nukleační centra jsou hydrofobní, odpuzují vodu, a to umožňuje, aby kolem nich vznikly kapsy plynu, aniž by se plyn zpětně rozpouštěl v kapalině. Jakmile kapsa dosáhne kritické velikosti, vyboulí se, zakulatí a bublina má od počátku dostatečně velký poloměr. To ji chrání před kolapsem, protože ve větší bublině je menší tlak a nedojde ke zpětnému rozpouštění. Kromě toho zde existuje kaskádový jev. Jestliže počet bublin v objemové jednotce dosáhne kritického počtu, vyvolá to samo o sobě jistou fyzikální poruchu, a výsledkem je vývin ještě většího množství bublin.

Pěnová fontána

Uvolňování oxidu uhličitého z piva může probíhat s pomocí různých nukleačních center a to ovlivní, jakou pěnu bude pivo mít. Malinkaté krystalky solí jako např. síranu vápenatého, mohou zaschnout na sklenici, byla-li předtím umyta v tvrdé vodě. Drobounká vlákna bavlny, která ulpěla na povrchu sklenice po vytření utěrkou nebo částice prachu, které spadnou do sklenice před jejím naplněním, jsou typické příklady nukleačních míst. A všechny jemné škrábance, které jsou v každé používané sklenici, udělají stejnou službu. Bude-li vnitřek sklenice mokrý, krystalky solí se rozpustí a bavlněná vlákna ztratí svou schopnost. Prach a škrábance samozřejmě zůstanou, ale budou pokryty kapalinou a molekuly oxidu uhličitého je mohou dosáhnout pouze difúzí. Bubliny budou vznikat, ale tak pomalu, že nenastane kaskádový jev. Takové pivo, nebo jiný perlivý nápoj, velmi nerady pění. Skláři dnes díky moderním technologiím vyrábějí tak dokonalé povrchy, že na vnitřku pivních půllitrů musejí záměrně vytvářet nedokonalosti, aby při čepování či nalévání vznikal dostatečný počet bublin a „pivko“ mělo tu správnou čepici. A pokud moc pění, pak je zřejmě moc teplé a absorpční koeficient je příliš nízký. Mimochodem, vzroste-li teplota vody z 0 °C na 20 °C, sníží se absorpční koeficient oxidu uhličitého ve vodě na polovinu a teplé pivo nemá ten správný říz. V puse totiž pivo s nízkou koncentrací rozpuštěného oxidu uhličitého málo perlí.

Chcete-li si udělat demonstrační experiment, vezměte si sklenici, jejíž vnitřní povrch opatrně pokryjete vrstvou oleje. Ten udělá na skleněném povrchu mnohem lepší povlak než voda. Opatrně nalijte do sklenice perlivou vodu, nejlépe lijte po skle. Můžete samozřejmě použít i pivo, ale toho je pro tento experiment škoda. Voda ve sklenici pokryté olejem nebude vůbec nebo téměř vůbec pěnit. Pak přidejte velké množství nukleačních center, vsypte do vody lžíci krupicového cukru, a možná se nestačíte divit, jakou vulkanickou reakci budete pozorovat.

Nukleační centra mohou vzniknout také velmi dynamicky, jako rázová vlna v přesycené kapalině. To je fyzikální základ poněkud brutálního vtipu s otevřenou pivní láhví. Uhodíte-li na hrdlo láhve s perlivým nápojem, kterou si právě otevřel kamarád (nesmíte ale přitom hrdlo rozbít), ve skle vzniknou vibrace. Ty vyvolají v pivě tlakovou vlnu, která se šíří ke dnu láhve. Ode dna i od horního povrchu piva se pak několikrát odrazí. Díky této vlně se během času kratšího než 1 milisekunda bubliny CO2 tak zdeformují, že se rozpadnou na menší bublinky. Ty pak vytvoří trochu pěny uvnitř piva. Její povrch je ideálním místem pro uvolňování dalšího plynu, až v blízkosti této pěny přesycení CO2 v pivě zmizí. Pěna začne stoupat, nabaluje na svůj povrch další molekuly plynu, její pohyb se zrychluje a objem zvětšuje, až konečně opustí láhev jediným možným způsobem, hrdlem. Výsledkem je pěnová fontána. I láhev koly nebo sektu by mohla posloužit ke stejnému pozorování. Experimentátor si však musí být vědom určitého nebezpečí, použije-li k úderu na hrdlo láhve svou, také právě otevřenou láhev. Podle zákona akce a reakce vyvoláte nárazem do kamarádovy láhve stejnou tlakovou vlnu také ve své láhvi.

Náhlé uvolnění oxidu uhličitého je známé i v přírodě. Jezero Nyos leží v Kamerunu v kráteru vyhaslé sopky. Z té se stále uvolňuje oxid uhličitý, který se rozpouští ve vodě jezera. Jednoho srpnového dne v roce 1986 se však prudce uvolnilo odhadem 1,6 miliónů tun oxidu uhličitého rozpuštěného ve vodě jezera a stouplo nad hladinu. Oxid uhličitý je těžší než vzduch, a proto z hladiny jezera natekl do přilehlých údolí. V tamních vesnicích se udusilo 1700 lidí a spousta zvířat. Při hledání příčiny si vědci samozřejmě vzpomněli na účinek tlakové vlny a pivní fontánu, ale seismografy v tu dobu žádné zemětřesení v této oblasti nezaznamenaly. Jev zůstal neobjasněn, ale pro jistotu byla na dno jezera umístěna čerpadla, která promíchávají vodu tak, aby se nemohla oxidem uhličitým lokálně přesytit.

Originální zdroje:

Why Does a Beer or a Coke Poured Into a Dry Glass Froth Up Faster Than When Poured Into a Wet Glass?. Zippy Facts – The Best Interesting Random Facts [online]. Dostupné z: https://zippyfacts.com/…a-wet-glass/

Welt der Physik: Bierstreich: Wie entsteht die Schaumfontäne?. Welt der Physik: Startseite [online]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/…bierstreich/

Mohlo by vás také zajímat:

Matfyzácké pivo míří do výroby
Není led jako led
Zlato může tát při pokojové teplotě

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop