עננים בכוס בירה

כאשר פותחים משקה מוגז כמו בירה, מופיעה באזור הפיה עננה קטנה. מהי עננה זו ומה אפשר ללמוד ממנה?

כמו כל המשקאות המוגזים, בירה רוויה פחמן דו-חמצני (CO2) במצב  מומס, כלומר, מולקולות ה-CO2 מוקפות במולקולות מים שאינן מאפשרות להן להתאחד. מעל הנוזל, לעומת זאת,  ה- CO2 נמצא במצב גזי רגיל בלחץ של כ-2 אטמוספירות (בערך כמו הלחץ בגלגלי המכונית). בכל שבריר שנייה חלק ממולקולות ה-CO2 שבגז עוברות לנוזל, בזמן שחלק מהמולקולות שבנוזל משתחררות לגז. אם לא נטלטל את הבקבוק לזמן מה, קצבי המעבר ישתוו, ויתקבל מצב קסום: שיווי משקל דינאמי.

 

מה קורה כאשר פותחים את הפקק? הגז הדחוס שבאזור הפיה משתחרר החוצה באחת, ובכך מוציא את המערכת משיווי משקל. על מנת להגיע לשיווי משקל חדש, חלק ניכר ממולקולות CO2 בנוזל צריכות להשתחרר לאוויר, אבל היות שאין הן יכולות להשתחרר מיידית, הן עושות זאת לאט ובסבלנות בדרך הנקראת 'בועות'. נשים לב, שעל מנת ליצור הפרדה בין חבילת הגז (בועה) לנוזל יש להשקיע אנרגיה. מדוע? נוכל לחשוב על שתי קבוצות של אנשים (נאמר, כחולים ואדומים) המעורבבות זו בזו בצורה אחידה. אם תנועת האנשים אקראית, מועטים מאוד הסיכויים שייווצרו קבוצות הומוגניות של אנשים מסוג אחד, נאמר,אדומים.  במונחים תרמודינאמיים, על מנת שזה יתרחש דרגת אי-הסדר (אנטרופיה) צריכה לרדת, ולכן זה אינו תהליך המתרחש ספונטאנית.  דרושה השקעה של אנרגיה מבחוץ על מנת 'לעזור' לו להתהוות, בדומה לאספקת אנרגיה מתמדת  הנחוצה על מנת לשמור על גוף חי כיחידה מתפקדת נבדלת מהסביבה (הומיאוסטאסיס).  סיבה נוספת נעוצה בקשרים הכימיים – הבועה הגדלה צריכה להרחיק את מולקולות המים אלה מאלה, ולשם כך יש 'לשבור' את הקשרים החזקים באופן יחסי שבינן (קשרי מימן). השורה התחתונה היא, שהשתחררות גז מנוזל אינה תהליך פשוט.

בהתחשב בכך שדרושה השקעה יחסית גבוהה של אנרגיה, שאינה זמינה בדרך כלל, כיצד בכל זאת נוצרות בועות? נזכר בקבוצות האנשים המעורבבות זו בזו, ונניח שבמקומות מסוימים ישנם כרוזים שקוראים במגפונים "כל האדומים אלי!" מתקבל על הדעת, שבסביבת הכרוזים תיווצרנה קבוצות 'אדומות' שילכו ויגדלו. המקבילה  הפיזית של הכרוזים נקראת 'אתרי נוקליאציה' (nucleation sites) ותהליך ההקבצה נקרא התגרענות: חלקיקים זעירים בנוזל מהווים גרעינים שסביבם מתקבצות מולקולות גז על מנת ליצור את המשטח הראשוני שמפריד אותן מהנוזל. מרגע שנוצרה בועה זעירה (מיקרוסקופית), נחוצה כבר הרבה פחות אנרגיה ולכן התהליך מתגלגל מעצמו עד להיווצרות של בועה גדולה (מקרוסקופית) שצפה מעלה. תופעה זו מזכירה ניפוח של בלון גומי: בשלב ההתחלתי דרוש מאמץ גדול יחסית, שהולך ופוחת עם גדילת הבלון.

אגב, ישנם תהליכים רבים בטבע, שעל מנת להתחיל אותם נחוצה אנרגיה התחלתית יחסית גבוהה – סף אנרגטי הנקרא אנרגיית שפעול.  תהליכים אלו לא היו יוצאים אל הפועל אלמלא אותם 'מתווכים' שפעולתם מקבילה לפעולתם של אתרי הנוקליאציה. למשל, אינספור תהליכים ביולוגים משופעלים על ידי אנזימים שהינם מולקולות גדולות שעל גבם ריאקציות ביוכימיות יכולות להתרחש בקלות יחסית, כמו למשל הריבוזומים של עדה יונת שעלו לגדולה. אמנם, אותם תהליכים היו מתרחשים גם ללא תיוך האנזימים,  אך זה היה לוקח הרבה יותר זמן. בכימיה אותו מתווך נקרא  'זרז' (קטליזטור), אך בכל מקרה, המתווך נחוץ רק בהתחלה, בדומה לניצוץ שמתחיל את הבעירה או כפי ששר ברוס ספרינגסטין: You can't start a fire without a spark

בחזרה לבירה. אתרי נוקליאציה יכולים להיות גם סדקים מקרוסקופיים בזכוכית. בפעם הבאה שתתבוננו בכוס עם משקה מוגז, שימו שב שהבועות אינן נוצרות אקראית בכל מקום בנוזל. למעשה, ישנן שרשראות של בועות שניתן לעקוב אחריהם אחורנית עד לנקודות ספציפיות בכוס: נקודות אלו הן מיקרו-סדקים המהווים אתרי נוקלאציה. כאשר מוזגים משקה מוגז לכוס, נוצר קצף רב מכיוון שכל הסדקים המיקרוסקופיים פועלים כבתי ייצור סדרתיים של בועות: בכל פעם שמשתחררת בועה, האתר שיצר אותה מתפנה ליצירת בועה נוספת וכך שוב ושוב עד שנגמר ה-CO2 או שמושג שיווי משקל דינאמי חדש. כדי להימנע מהקצף, ידוע לבארמנים שצריך להרטיב קודם את החלק הפנימי של הכוס, אבל למה?  מולקולות המים 'סותמות' זמנית את הפגמים המקרוסקופיים שבזכוכית ובכך מורידות משמעותית את הסיכוי להיווצרותן של בועות. ההבדל מרשים  – כמעט ולא נוצר קצף.

'מנטוס בקולה' הוא אחד הניסויים שהפך לאייקון תרבותי בזכות מאות סרטונים שהועלו ליוטיוב על ידי כל בן 11 עם מצלמת וידאו. בתחילה לא היה ברור לי מדוע מזנק גייזר אדיר מפיית הבקבוק – זו תופעה כמעט מיסטית. האם יש במנטוס חומר מסתורי שגורם לגזים להשתחרר בעוצמה? מסתבר שלא. למרות שסוכריית המנטוס נראית ומרגישה חלקה, למעשה, מהבחינה מקרוסקופית היא מחוספסת ביותר. כאשר היא צוללת לתוך המשקה, הנקבוביות הרבות שעליה מהוות אתרי נוקליאציה עבור ה-CO2 המומס בקולה ובבת אחת נוצרות אין-ספור בועות המשתחררות בעצמה סילונית וגורפות עימן גם חלק מהנוזל.

ההסבר המלא מורכב יותר (ויש גם בויקיפדיה), אבל זה הרעיון הבסיסי. צוות התוכנית המרתקת  Time Warp, המתמחה בצילום מהיר (הרבה פריימים בשנייה) בדק את הנושא:

כראייה לכך שאין במנטוס משהו מיוחד, מתקבל אפקט דומה גם אם נפזר על המשקה המוגז שלנו חול, סוכר או מלח כפי שניתן לראות כאן.

הספר  Clouds in a Glass of beer מתאר ניסויים פשוטים שממחישים עקרונות פיזיקאליים של תופעות מזג אוויר. בפרק הראשון מסביר המחבר מדוע במובנים רבים, עננים הם תמונת הראי של בועות במשקה מוגז. עננים נוצרים כאשר הלחות היחסית גבוהה מספיק על מנת שמולקולות מים במצב גזי (אדים) יתעבו לטיפות קטנות. על מנת לזרז את הגשם, מפזרים באוויר (או למעשה, 'זורעים')  חלקיקים זעירים שיהוו גרעיני נוקליאציה עבור הטיפות, וזאת בהקבלה לפיזור מלח בבירה שמזרז הווצרות של בועות. אפשר, כמובן,  להוסיף עוד פרטים לההקבלה המהופכת:

 

כעת נסביר את העננה שהזכרנו בהתחלה. כאשר פותחים את הפקק, מופיעה עננה קטנטנה בראש הבקבוק. מהי עננה זו וכיצד היא נוצרה? ראשית, נזכיר עקרון תרמודינאמי ידוע: שינוי מהיר בלחץ גזי גורר עמו שינוי בטמפרטורה. למשל, כאשר גז נדחס במהירות הטמפרטורה שלו עולה (משאבת אופניים מתחממת בזמן הניפוח) וכאשר גז מתרחב במהירות הטמפרטורה שלו יורדת (מיכל גז דחוס מתקרר לאחר כמה לחיצות). אגב, את העקרון הזה אנו פוגשים בכל פעם שאנו משתמשים במזגן או במקרר המבוססים על מחזורים של דחיסה והגדלת נפח של גז. לאור זאת, ניתן להבין מדוע ירידת הלחץ בפיית הבקבוק מורידה שם את הטמפרטורה. תאמינו או לא, אבל מדובר בירידה דראסטית לסביבות מינוס שלושים מעלות צלזיוס, שגורמת לאדי המים שנמצאים שם להתעבות מידית לטיפות מים זעירות, כלומר, להפוך לענן (או ערפל). אילו היו באזור הפייה גרעיני נוקליאציה, כמו חלקיקי אבק זעירים, אותה התעבות היתה מתקבלת גם בטמפרטורות רגילות, כפי  שמוכיח ניסוי פשוט זה שתוכלו לעשות בבית, אם בינתיים הבירה לא עלתה לכם לראש כמו לגלעד כהנא.

5 thoughts on “עננים בכוס בירה”

  1. נהניתי – פוסט מושקע ומעניין, ובכלל הבלוג שלך מקסים.
    אני שכתבתי בזמנו את הערך בוויקיפדיה על אפקט מנטוס כשעמדו למחוק אותו ובמקביל כתבתי על התגרענות (הטבעות בתמונה הן שלי ושל אשתי והאצבע שלי :-)). מאז כבר הפסקתי לכתוב שם אבל זה כבר סיפור אחר…
    אני זוכר שהיו לי המון ויכוחים בפורומים שונים אם ההסבר לאפקט מנטוס הוא פיזיקלי בלבד או שיש כאן גם משהו כימי. אני די משוכנע שהתגרענות יחד עם התמוססות של המנטוס/סוכר/מלח הם הגורם המרכזי. כלומר ההסבר הוא פיזיקלי, ואם יש השפעה להרכב המשקה או לסוג המוצק שזורקים פנימה הרי שהיא שולית.
    בניסוי צנוע שעשיתי ברחבה במכון ויצמן קיבלתי השפרצה בעוצמה דומה של משקאות שונים עם מנטוס/סוכר/מלח. חבל שלא צילמתי. נראה לי שאחזור על הניסוי, הפעם עם מצלמת וידאו.

  2. משהו קטן לגבי הפיסקה האחרונה שדנה בענן שנוצר מעל בקבוק בירה בעת הפתיחה. התחושה שלי היא שהגורם הדומיננטי כאן הוא הטמפרטורה הנמוכה של הפחמן הדו-חמצני המשתחרר. אני חושב שבתור בועות, עדיין בתוך הבירה, הלחץ שלו כבר לא גבוה. כשהוא יוצא מהבקבוק הוא מקרר את האוויר ואדי המים מתעבים. אפשר לבדוק את זה אם משווים בין פתיחת בקבוק בירה קר עם בקבוק בירה לא מקורר, אבל אני לא מתכוון לשתות בירה חמה, אז לא נראה שאבדוק את זה בזמן הקרוב 🙂

  3. תודה.
    גם הבלוג שלך מרתק.
    לגבי העננה – ממה שהבנתי, ירידת הטמפרטורה נגרמת בשל ירידת הלחץ של הפד"ח מעל הנוזל. בשבריר שניה הלחץ צונח משתים ומשהו אטמוספרות לאטמוספרה אחת וזה מה שיוצר את ההתעבות. רואים את זה גם שמנפחים בקבוק עם משאבת אופניים ואז משחררים מיד. מי שיש לו משגר של רקטות מים יכול לנסות…

  4. הקרבתי פחית בירה ופתחתי אותה כשהיא לא מקוררת. התקבלה עננה קטנה וזה אומר שאתה אכן צודק. אני חושב שלטמפ' של הבירה יש בכל זאת השפעה על גודל העננה, במיוחד ביום חם.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *