Continuando con la descripción fenomenológica de lo que acontece en un líquido en el interior de una cazuela a la que se le calienta progresivamente. Se había dejado el líquido en un estado de convección y se continuara desde entonces.
Supóngase que el líquido se ha calentado tanto que esta a punto de que en su seno pueda encontrarse alguna ebullición.
CALENTAMIENTO BRUSCO
Si el calentamiento se realizara de un modo tan brusco que las corrientes macroscópicas no pudieran desarrollarse o no fueran significativas, la evaporación y la expansión del agua del fondo de la cazuela seria asemejable a la detonación de un explosivo de potencia y distribución variable, donde la frontera de expansión trasmite un momento lineal que puede ser tan vigoroso como para expulsar el agua fuera del recipiente.
CALENTAMIENTO LENTO
Si el calentamiento se ha producido con la suficiente lentitud, macroscopicamente existirá un flujo convectivo plenamente desarrollado, con columnas ascendentes y anillos descendentes torno a esas columnas. Con el liquido cercano a la base desplazándose de forma lateral hacia la base de las columnas ascendentes por la diferencia de presiones señalada en el texto previo y con el liquido de la parte superior desplazándose lateralmente hacia el anillo de inmersión, creándose un flujo con forma de toroide. A través de la superficie exterior del líquido, el caudal de moléculas con energías suficientes como para abandonar el líquido habrá aumentado significativamente de forma que el vapor resultante pueda ser apreciado a simple vista. Para que pueda llegar a producirse ebullición en el liquido, el foco térmico tendrá que establecer un gradiente suficientemente grande como para que compense las perdidas debidas al enfriamiento debido al escape de las moléculas mas energéticas, además de las otras perdidas que puedan existir.
Los átomos de hierro del fondo golpean con ímpetu el agua, en suma, el conjunto de estos impactos eleva la energía cinética del agua, que según valla avanzando por el fondo hacia la columna de ascensión, se ira calentando progresivamente. Llegara un momento en el que las temperaturas involucradas crearan una zona evaporada cerca de la base.
La imagen anterior corresponde a lo expuesto, pero adolece de una carencia, no tiene en cuenta la existencia de una tensión superficial en las diferentes superficies que se crean durante la evaporación en el interior del líquido. Es necesario incorporarlo.
LA BURBUJA
Cuando un flujo de calor proveniente del fondo agita suficientemente el agua, se crea un frente de avance dentro del cual existe una fase gaseosa. En ocasiones, al calentarse algua, aparecen burbujas que permanecen adheridas a la superficie, y que no parecen variar su tamaño, estas burbujas se encuentran en un estado estacionario.
En el estado estacionario existe un equilibrio en el que intervienen varios fenómenos:
- Las moléculas de vapor debido a su agitación térmica penetran continuamente en el agua circundante.
- Las moléculas de agua se difunden a través de la superficie y van a formar parte del gas
- Existe una fuga de calor desde la burbuja hacia el liquido
- Existe un aporte de calor del hierro al vapor.
- Existe una tensión superficial tanto del vapor como del hierro que tiende a eliminar la superficie de la frontera, del mismo modo que en un globo hinchado existe una presión para variarlo de aire.
- El vapor ejerce una presión contra su superficie que impide su colapso.
- El peso de la columna de agua
En el estado estacionario los flujos entrantes y salientes de calor y agua se anulan, y la burbuja adquiere una forma abombada que corresponderá a su mínima energía para ese volumen. Tenemos una gota de vapor.
Para hacerse una idea, una molécula de agua mide unos 0,3 nm, esto significa que si la molécula de agua tuviera el tamaño de un guisante de 5 milímetros, una burbuja de agua de 5 milímetros mediría 83 kilómetros.
COLAPSO DE BURBUJAS
Es posible observar que algunas burbujas crecen hasta cierto tamaño para después colapsar, esto puede suceder si las condiciones del entorno varían, por ejemplo haciendo el agua circundante mas frío debido a la aleatoriedad del flujo turbulento, la burbuja podría ser especialmente sensible a estos cambios en su primera etapa de desarrollo. Aunque no puede descartarse que existan unas condiciones de contorno estables, donde la burbuja no pueda exceder de un tamaño sin implosionar.
SEPARACION DE LA BURBUJA
Entre la cúpula de la burbuja y el fondo de hierro, existe un anillo que constituye la unión entre las dos interfases. La baja densidad de la burbuja originara una fuerza ascensional, que a partir de cierto volumen es proporcional al volumen. A esta fuerza ascensional se le opone la tensión superficial en el anillo, que es proporcional a su circunferencia. Cuando el volumen es pequeño, la burbuja puede permanecer pegada al fondo. Si la circunferencia del anillo crece N, el volumen crece N^3, con el aumento de volumen por tanto llega un momento en el que el empuje es suficiente como para arrancar la unión. Haciendo que el anillo se valla estrechando hacia el centro, hasta que colapsa en el centro y la burbuja no guarda frontera con el fondo de hierro. Continuando con su ascensión hacia el exterior.
PERMANENCIA DE LOS FOCOS DE BURBUJAS
Cuando se observa la ebullición del agua, existen zonas en donde tiene a acumularse la generación y emisión de burbujas, como si estos puntos estuvieran privilegios. En esto pueden influir varios factores:
Las primeras burbujas tienden a formarse al final del recorrido convectivo por el fondo, pues es la zona en donde el agua ha permanecido más tiempo cerca del fondo. La base de los pilares convectivos, al ser las zonas mas calientes tienen mayor probabilidad de generar burbujas.
Dado que el fluido es mas caliente en la zona convectiva, el hierro también lo es, pues el gradiente de temperaturas es menor y se enfría en menor grado. Por tanto es la zona en donde el calor puede fluir mas rápidamente al vapor del interior de una burbuja para que crezca.
Una burbuja que se haya creado fuera del pilar convectivo, crea un pilar convectivo nuevo en su ascensión, encadenado un proceso de creación de burbujas en ese sitio. De forma que si para liberar el calor trasferido al líquido es necesaria la creación de N burbujas estas burbujas tenderán a estar agrupadas en la misma columna ascensional.
Cuando se produce el colapso del anillo y la segregación de la burbuja, es posible que haya quedado una pequeña burbuja adherida en el fondo, como cuando una gota se segrega de un grifo genera gotas mas pequeñas tras de si. Esta pequeña burbuja constituiría la semilla de una burbuja que crecería favorecida por las condiciones del entorno, hasta desprenderse nuevamente y volver a reproducir el ciclo.
Incorporando estas ideas al esquema previamente propuesto, resultaría:
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