עננים בכוס בירה
בירה, כמו כל המשקאות המוגזים, רוויה מולקולות פחמן דו-חמצני (CO2) מומס, כלומר, מולקולות CO2 מוקפות במולקולות מים שאינן מאפשרות להן להתאחד ולהפוך לבועות. מעל הנוזל, באזור הפייה,ה- CO2 נמצא במצב גזי בלחץ של כשתי אטמוספרות (בקירוב לחץ האוויר בצמיגי מכונית). בכל שבריר שנייה חלק ממולקולות ה-CO2 שבגז עוברות לנוזל וחלק מהמולקולות שבנוזל משתחררות לגז. אם לא נטלטל את הבקבוק לזמן מה, קצבי המעבר ישתוו זה לזה ויתקבל מצב קסום הנקרא '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. הדרך שלהן לעשות זאת נקראת 'בועות', כלומר בעזרת חבילות המכילות טריליוני מולקולות CO2. ניתן דעתנו על כך, 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 (הנקראת הומיאוסטאסיס) הנחוצה על מנת לשמור על גוף חי כיחידה מתפקדת נבדלת מהסביבה. 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 במאגפונים "כל האדומים אלי!" מתקבל על הדעת, שבסביבת הכרוזים תיווצרנה קבוצות 'אדומות' שילכו ויגדלו. המקבילה הפיזית של הכרוזים הללו נקראת 'אתרי נוקליאציה' (nucleation sites) והתהליך נקרא 'התגרענות'. חלקיקים זעירים יכולים להוות את הגרעין שסביבו מתקבצות מולקולות גז על מנת ליצור את המשטח הראשוני שמפריד בין הגז לנוזל. מרגע שנוצרה בועה זעירה (מיקרוסקופית), נחוצה כבר הרבה פחות אנרגיה ולכן התהליך מתגלגל מעצמו עד להיווצרות של בועה גדולה (מקרוסקופית) שצפה מעלה. 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 האנזימים, אך זה היה פשוט לוקח הרבה יותר זמן. בכימיה אותו מתווך נקרא 'זרז' או קטליזטור. בכל מקרה, המאתחל נחוץ רק בהתחלה, שכן הוא למעשה 'הניצוץ' שמתחיל את הבעירה.
בחזרה לבירה. אתרי נוקליאציה יכולים להיות גם סדקים מקרוסקופיים בזכוכית. בפעם הבאה שתתבוננו היטב 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 מתפנה ליצירת בועה נוספת וכך שוב ושוב עד מצב שיווי משקל. כדי להימנע מהקצף, ידוע לבארמנים שצריך להרטיב קודם את 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. 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 למדי. כאשר היא צוללת לתוך המשקה, הנקבוביות הרבות שעליה מהוות אתרי נוקליאציה עבור ה-CO2 המומס ובבת אחת נוצרות אין-ספור בועות המשתחררות בעצמה סילונית וגורפות איתן גם חלק מהנוזל. ההסבר המלא הוא כמובן מורכב יותר, אבל זה הרעיון הבסיסי. צוות התוכנית Time Warp, המתמחה בצילום מהיר (הרבה פריימים בשנייה), בדק את הנושא:
אגב, 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 שבעזרתם אפשר להבין את הפיזיקה של תופעות אטמוספריות. בפרק הראשון מסביר המחבר מדוע במובן מסוים 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, וכבר כאן אפשר את ההקבלה המהופכת לבועות.
לפני שניפרד מהבירה בואו נבחן עוד תופעה מעניינת. כאשר פותחים את הפקק, מופיעה עננה קטנטנה בראש הבקבוק. מהי עננה זו וכיצד 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.
כעת ניתן להבין מדוע ירידת הלחץ בפיית הבקבוק מורידה שם את הטמפרטורה. תאמינו או לא, אבל מדובר בירידה דראסטית לסביבות מינוס שלושים מעלות צלזיוס, מה שגורם 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 גבוהות בהרבה, כפי שמוכיח ניסוי פשוט זה שתוכלו לעשות בבית, אם בינתיים הבירה לא עלתה לכם לראש.