¿Varía alguna vez el tamaño de las burbujas en el agua llevada a ebullición en función de la cantidad de agua?

Question

Algunas discusiones en torno a esta respuesta sobre Worldbuilding me ha despertado la curiosidad.

Cuando el agua se lleva a ebullición, se forman burbujas. Cualquiera que haya cocinado algo alguna vez lo sabe.

Sin embargo, ¿qué pasa con el tamaño de esas burbujas? ¿El tamaño de las burbujas en el agua depende de alguna manera de la cantidad de agua que se calienta? En caso afirmativo, ¿cuál es la relación? ¿Por qué?

Como pregunta extra, ¿qué ocurre cuando la cantidad de agua es lo suficientemente pequeña como para que el tamaño de la burbuja sea una fracción significativa del tamaño del agua como esfera? ¿Puede ocurrir esto?

Answer 1

Las burbujas se forman cuando la presión en el fluido es inferior a la presión de vapor saturada del líquido a esa temperatura, modificada por los efectos de la tensión superficial.

La tensión superficial aumenta realmente la presión dentro de una burbuja de gas en el agua; el aumento aproximado de la presión es $\Delta P = \frac{2\sigma}{r}$ (ver por ejemplo esta respuesta anterior ). La presión puede reducirse añadiendo impurezas en el líquido que puedan actuar como lugares de nucleación.

Para que una burbuja empiece a crecer, la presión de vapor tiene que superar la barrera de presión "neta". Cuando se tiene un volumen mayor de líquido y se calienta desde abajo (como una cacerola sobre una llama de gas), la presión será mayor si el nivel del líquido en la cacerola es más profundo. El aumento de la presión a una profundidad $d$ es $\Delta P = \rho g d$ .

Esto significa que el líquido del fondo tiene que estar más caliente para empezar a hervir; también significa que, a medida que la burbuja se eleva en el líquido, crecerá más fácilmente (tanto porque el vapor del interior puede expandirse al ser menor la presión, como porque, si la temperatura del líquido es uniforme, la menor presión en el interior de la burbuja permitirá una evaporación adicional en la burbuja).

Finalmente, como mencioné en mi comentario, en el límite de volúmenes muy pequeños de líquido es posible que la producción de vapor en la superficie de la gota de líquido es tal que nunca se forma una burbuja: en su lugar, el vapor escapa a lo largo del fondo de la gota, que acaba suspendida en un colchón de vapor.

Answer 2

La presión del vapor de agua es una función de la temperatura (y también de la presión). Aumenta con la temperatura. Cuando se produce vapor en la superficie del calor, se forma una burbuja. El tamaño de la burbuja viene determinado por la flotabilidad y la presión del agua en el lugar.

Cuando el tamaño es lo suficientemente grande, la fuerza de flotación es dominante. La burbuja no se queda sino que se eleva. Debido a la disminución de la presión, el tamaño de la burbuja aumenta y la burbuja se mueve más rápido. La fuerza de flotación se puede calcular con, $$f_b=\rho_{water}\times V_b$$ y asumiendo que es un gas ideal $$ V_b=\frac{m_{vapor}\times R \times T}{P_{water}}$$ y la gravedad de la burbuja es $$m_{vapor}g$$

Cuando el tamaño no es tan grande, la burbuja se queda en el fondo, recoge más vapor y aumenta su tamaño.

Así que se puede decir que depende de la cantidad de calor (la cantidad de vapor producido) pero también depende de la temperatura y la presión. En un entorno sin gravedad, la burbuja puede seguir creciendo cuando la tensión superficial es necesaria para mantener la burbuja, lo que puede servir para responder a tu pregunta extra.