Когда вода нагревается на плите, первым знаком приближения кипения становятся мелкие пузырьки. В микроволновке же вода может достигать температуры кипения без каких-либо видимых признаков.
Это явление не противоречит физике: оно связано с особенностями образования пузырьков и тем, какая энергия нужна для перехода воды в пар. Научные объяснения этого процесса дают четкий ответ, почему в микроволновке кипение может происходить "без пузырьков".
При нагревании на плите пузырьки постоянно возникают и исчезают, когда вода начинает нагреваться над источником тепла. Температура, при которой заметные пузырьки начинают формироваться, может быть значительно выше формальной точки кипения воды. По словам специалиста по динамике жидкостей Джонатана Борейка из Virginia Tech, после 100 °C молекулам воды энергетически выгоднее быть паром, чем жидкостью. На этом этапе химический потенциал воды в газовом состоянии ниже, чем в жидком, поэтому водяной пар является более стабильным.
Однако это не означает, что кипение произойдет автоматически. Чтобы вода перешла в состояние кипения, должен образоваться пузырек, а это требует энергии. Поэтому температура, при которой вода фактически начинает кипеть, является компромиссом между энергетической выгодой перехода в газ и энергией, необходимой для создания пузырька.
Пузырь – не просто объем газа. Это граница между газовой и жидкой фазами, а такая граница подчиняется поверхностному натяжению.
"Очень маленькие пузырьки имеют очень большое соотношение площади поверхности к объему, тогда как больший пузырек имеет меньшую площадь относительно своего объема. Объем доминирует, чем больше он становится, что перевешивает стоимость поверхностного натяжения", – объяснил Борейко.
Поверхностное натяжение пытается уменьшить площадь границы до минимума, то есть фактически "сжать" пузырек обратно в жидкость. Для стабильного существования пузырь должен содержать достаточно газа, чтобы энергетическая выгода от образования пара превысила затраты на создание поверхности.
Малые пузырьки имеют большое соотношение площади к объему, поэтому поверхностное натяжение легко их разрушает. Чем больше пузырь, тем больше доминирует объем, и тем легче газу "победить" поверхностное натяжение.
Из-за поверхностного натяжения вода часто не кипит ровно при 100 °C, а при чуть более высокой температуре. Это явление называется супернагревом. Точка кипения – температура, при которой газ становится более стабильным, чем жидкость, а дополнительные градусы – это энергия активации, необходимая для создания достаточно большого пузырька.
Именно поэтому кипение в микроволновке не образует пузырьков, хотя физика процесса в тот момент даже интенсивнее, чем на плите.