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Physik im Alltag und Naturphänomene

Prickelnde Physik

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 1 (2020) S. 72 – 73

Die Blasen in Sekt und anderen kohlensäurehaltigen Getränken sind auch für Forscher faszinierend – besonders, wenn sie an der Oberfläche zerplatzen. Dabei springen feine Tröpfchen hoch, die Aromastoffe verteilen.

Würden alle Dinge zu Rauch,
mit der Nase wüsste man sie zu unterscheiden

Heraklit (um 520 – 460 v. Chr.)

Viele Getränke enthalten Kohlendioxid. Unmittelbar nach dem Einschenken bildet es Blasen, steigt auf und geht schließlich in die Luft über. Doch bis dahin ist es ein physikalisch ereignisreicher Weg.
Ursprünglich löst sich das Gas in den Getränken unter hohem Druck. Die Flaschen trennen es dann luftdicht von der Außenwelt. Die Löslichkeit von Kohlendioxid steigt mit dem Druck. Champagner und Sekt enthalten im Vergleich zu Bier und Sprudelwasser sehr viel CO2 und brauchen darum besonders dicke Wände, um dem standzuhalten.
In der verschlossenen Flasche stellt sich zwischen der Flüssigkeit und der Gasschicht im Hals ein Gleichgewichtsdruck ein. Hierbei verlassen im zeitlichen Mittel genauso viele Gasteilchen die Flüssigkeit, wie diese aufnimmt. Wenn man die verschlossene Flasche schüttelt, entstehen vermehrt Bläschen im Inneren, und der Druck des Gases im Flaschenhals erhöht sich. Sobald Ruhe einkehrt, stellt sich das stationäre Gleichgewicht wieder ein – das zwischenzeitlich befreite CO2 geht erneut in die Lösung.
Beim Öffnen der Flasche kommt es zum Druckausgleich mit der Umgebung. Er macht sich je nach der Vorbehandlung der Flasche und der Temperatur akustisch und strömungstechnisch gegebenenfalls spektakulär bemerkbar (siehe »Lasst die Korken knallen«, Spektrum Januar 2017, S. 63).
Nach dem Einschenken in ein Glas ist das Getränk weiterhin dem wesentlich niedrigeren Umgebungsdruck ausgesetzt, und die Flüssigkeit gibt allmählich den Rest des überschüssigen gelösten Gases ab. Es sammelt sich in kleinen Bläschen, die nach und nach aufsteigen. Sie entstehen nicht an beliebigen Stellen, sondern meistens an bestimmten Bereichen der Glaswand. Dort befinden sich in der Regel mikroskopisch kleine Kratzer oder Verunreinigungen, zum Beispiel winzige Fasern des Handtuchs, mit dem das Glas abgetrocknet wurde. Diese so genannten Keime enthalten meist etwas Luft, an welcher die angehenden Blasen andocken können. Ohne solche Starthilfen wäre für die Entstehung theoretisch ein unendlich großer Druck nötig, denn der ist in einer Blase umgekehrt proportional zu ihrem Radius.
Während die Blase größer wird, kommt die Schwerkraft ins Spiel, nämlich in Form des Auftriebs. Dieser wächst mit dem Volumen, also wie der Radius hoch drei. Die Adhäsionskraft, mit der die Blase ihrem Entstehungsort zunächst verbunden bleibt, steigt aber nur proportional zu der Berührfläche, also wie der Radius hoch zwei. Irgendwann übertrifft also der Auftrieb die Adhäsion. Dann löst sich die Blase ab. Nur ein Rest bleibt hängen, an dem sofort die nächste heranwächst und so weiter.
Die Bedingungen, unter denen die Gasteilchen in die Blase gelangen, verändern sich innerhalb üblicher Beobachtungzeiten nicht besonders. Darum ist auch die Zeitspanne zwischen zwei Ablösevorgängen dieselbe. Die Bläschen folgen daher im gleichen Takt aufeinander und steigen meist in einer Art Perlenschnur senkrecht auf. Bei Getränken mit sehr hoher CO2-Konzentration muss man sich dafür oft etwas gedulden – hier gibt es anfangs häufig eher turbulente Bewegungen der aufsteigenden Blasen.
Im Verlauf des Aufstiegs nehmen dann die Abstände zwischen zwei benachbarten Blasen zu. Liegt das etwa an deren Beschleunigung durch die Auftriebskraft? Allerdings muss die Flüssigkeit den winzigen Blasen wie Sirup vorkommen. In einer solchen Situation erreicht die Reibungskraft, die mit der Geschwindigkeit wächst, bereits nach sehr kurzer Strecke den Wert des Auftriebs. Beide sollten sich also rasch ausgleichen und zu einer gleichförmigen Bewegung führen.
Schaut man sich die Perlenketten genauer an, so stellt man vielmehr fest, dass nicht nur der Abstand mit der Aufstiegshöhe zunimmt, sondern auch die Größe der Blasen. Mehr Volumen bedeutet mehr Auftriebskraft und damit eine höhere Geschwindigkeit.
Doch warum werden die aufsteigenden Blasen größer? Man könnte auf den Gedanken kommen, das läge an der geringer werdenden Last durch immer weniger darüber befindliches Wasser. Doch dieser so genannte hydrostatische Druck beträgt bei einer Wassersäule von typischerweise zehn Zentimeter nur ein Hundertstel des atmosphärischen Luftdrucks – dieser entspricht einer etwa zehn Meter hohen Wassersäule. Daher dürfte der Einfluss vernachlässigbar klein sein. Entscheidend für das Wachstum der Blasen ist vielmehr, dass sie auch während ihres Aufstiegs weiterhin CO2 aufnehmen.
An der Oberfläche scheiden sie spektakulär aus ihrem kurzen Leben. Sie verbleiben dort noch eine mehr oder weniger kurze Zeit und wachsen weiter. Schließlich platzen sie und entlassen das Kohlendioxid in die Atmosphäre. Da der Genuss insbesondere von hochwertigem Sekt und Champagner von kleinsten Details der physikalischen Vorgänge abhängt, spielen auch diese Miniexplosionen eine besondere Rolle. Denn dabei entstehen Fontänen winziger Tröpfchen, die in schlanken Wurfparabeln bis zirka 20 Zentimeter über das Glas hinaussteigen und Aromastoffe in die Luft transportieren. Hinzu kommt die rauschende akustische Untermalung durch die Summe der feinen Klickgeräusche der platzenden Blasen.
2014 haben französische Forscher das Platzen mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Mikroaufnahmen dokumentiert und in mathematischen Modellen beschrieben. Sie erkannten: Bei den auf der Oberfläche driftenden Blasen fließt unter anderem auf Grund der Schwerkraft Flüssigkeit aus dem dünnen Häutchen ab, welches das eingeschlossene CO2 nach außen abdichtet. Der Film wird bereits nach sehr kurzer Zeit so dünn, dass der Überdruck in der Blase ausreicht, ihn zu zerfetzen. Daraufhin entsteht kurzfristig eine Vertiefung, die die allseitig zusammenströmende Flüssigkeit anschließend wieder füllt. Dabei ist nicht die Schwerkraft entscheidend, sondern die stets angestrebte Minimierung der Oberflächenenergie. Bei dem Vorgang treffen so genannte Kapillarwellen in der Mitte aufeinander und lassen eine Minifontäne hochschießen (siehe Illustration …).
Die Fontäne zerfällt in Tröpfchen – wiederum, um die Oberflächenenergie zu minimieren (siehe »Winzige Tröpfchen ganz groß «, Spektrum Juli 2018, S. 62). Die kleinsten von ihnen driften mitsamt der darin gelösten Aromen noch einige Zeit als Aerosol in der Luft. Teilweise kann man die Geschosse sogar als kleine Piekser spüren, wenn sie auf der Haut niedergehen. Das liegt nicht nur an der Empfindlichkeit dieses Organs, sondern auch an der großen Verdampfungsenergie des Wassers, aus dem der Sekt ja zum größten Teil besteht. Während er in den gasförmigen Zustand übergeht, entzieht er der Haut Wärmeenergie.
Ein weiteres interessantes Untersuchungsergebnis: Die Tröpfchen sind – anders, als man es vielleicht erwarten würde – umso kleiner und schneller, je zäher die Flüssigkeit ist, aus der sie bestehen. Solche Erkenntnisse könnten Hersteller anregen, die Viskosität ihres Produkts gezielt zu verändern, um die Ausbreitung der Tröpfchen in der Luft zu beeinflussen – und damit auch den Genuss des prickelnden Getränks.

Quelle
Ghabache E. et al.: On the physics of fizziness: How bubble bursting controls droplets ejection. Physics of Fluids 26, 2014

Diskussionen

4 Gedanken zu “Prickelnde Physik

  1. Prickelnder Artikel 🙂
    Die Erklärung des Pieksens setzt einen feinen, atmosophärischen Schlusspunkt. 🙂

    Zu: „Während er in den gasförmigen Zustand übergeht, entzieht er der Haut Wärmeenergie.“
    Wie spielt hier Entropie und Energie mit rein?

    Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2020, 13:27
    • Gute Frage: Um die Entropie zu vergrößern, verdampft die Flüssigkeit und verteilt sich über das zur Verfügung stehende Volumen. Um aber gasförmig zu werden, benötigt es Energie. Die entzieht es der Umgebung, also insbesondere der Haut. Die damit verbundene Abkühlung ist zwar mit einer kleinen Entropieabnahme verbunden. Aber sie ist betragsmäßig kleiner als die Entropiezunahme durch Verdampfen, sodass insgesamt eine Entropiezunahme resultiert.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2020, 14:43
  2. Du hast die Physik echt im Blut, wenn Du sogar beim Bier trinken analysierst 🙂

    Verfasst von ch | 8. Januar 2020, 18:12

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