Lorsque vous attendez qu’une casserole d’eau chauffe sur la cuisinière, de minuscules bulles sont le premier signe qu’elle est sur le point de bouillir. À mesure que l’eau devient plus chaude, les bulles grossissent, jusqu’à ce qu’une ébullition indique que l’eau a atteint 212 degrés Fahrenheit (100 degrés Celsius).
Ou est-ce que c’est le cas ? Quiconque a fait bouillir de l’eau au micro-ondes remarquera l’absence de bulles. Alors, pourquoi l’eau bouillante fait-elle des bulles, sauf au micro-ondes ?
« Le point d’ébullition signifie qu’à toute température supérieure à cette température, vos molécules sont plus heureuses d’être une vapeur que d’être un liquide », a déclaré Jonathan Boreykodynamiste des fluides chez Virginia Tech. Au-delà de 212 F, l’énergie intrinsèque des molécules d’eau — connue sous le nom de potentiel chimique — est plus faible pour le gaz que le liquide, ce qui fait de la vapeur la forme la plus stable.
« Mais pour réellement faire bouillir, vous devez créer une bulle, ce qui a un coût énergétique », a déclaré Boreyko à Live Science. « Donc, ce n’est pas parce que vous êtes plus heureux d’être une vapeur que vous réussirez à bouillir. »
Par conséquent, la température à laquelle l’eau bout réellement est un compromis entre le produit chimique énergie potentielle économisé en devenant un gaz et l’énergie dépensée pour former une bulle.
Fondamentalement, une bulle n’est pas seulement un volume de gaz mais aussi une interface entre les phases gazeuse et liquide. Et comme toutes les interfaces liquides, cette surface est soumise à une tension superficielle.
La tension superficielle est une force qui tente constamment de réduire la frontière gaz-liquide à la plus petite surface possible. Dans le cas d’une bulle, cela signifierait s’effondrer entièrement en un liquide uniforme. Une bulle stable doit donc contenir suffisamment de gaz pour que l’économie d’énergie potentielle chimique soit supérieure à la tension superficielle de l’interface, ce qui rend les bulles plus grosses plus stables.
« La tension superficielle est essentiellement un coût énergétique par zone », a déclaré Boreyko. « Les très petites bulles ont un rapport surface/volume très important, alors qu’une bulle plus grande a une surface plus petite par rapport à son volume. Plus vous obtenez de volume, plus vous obtenez de volume, ce qui dépasse le coût de la tension superficielle. »
Par conséquent, l’eau ne bout souvent que lorsqu’elle est un peu plus chaude que 212 F – un phénomène connu sous le nom de surchauffe. Le point d’ébullition marque la température à laquelle le gaz devient plus stable que le liquide, et les degrés supplémentaires correspondent à l’énergie d’activation nécessaire pour créer une bulle suffisamment grosse.
Cependant, divers facteurs influencent la facilité avec laquelle ces bulles peuvent se former, Mirko Galloun dynamiste des fluides à l’Université Sapienza de Rome, a déclaré à Live Science.
« Les gaz dissous, les impuretés dans l’eau, la surface du récipient peuvent tous réduire la barrière énergétique nécessaire à la formation de la bulle », a expliqué Gallo. Ces irrégularités au sein du liquide en vrac fournissent un point de nucléation distinct autour duquel des bulles peuvent se former, réduisant ainsi la pénalité de tension superficielle liée à la formation d’une bulle complètement sphérique.
« Si vous formez une bulle sur un bord, elle ne représente qu’une demi-sphère, vous avez donc une surface plus petite et vous aurez besoin de moins d’énergie », a-t-il ajouté. « C’est pourquoi les premières bulles commencent toujours à apparaître sur le bord du pot. »
Faire bouillir de l’eau au micro-ondes
À l’inverse, dans un micro-ondes, les conditions de chauffage inhabituelles suppriment si efficacement la formation de bulles qu’il est possible de surchauffer l’eau jusqu’à 36 F (20 C).
« Les ondes électromagnétiques pénètrent et excitent les molécules d’eau dans tout le volume, ce qui chauffe l’eau très rapidement et uniformément, alors que sur une cuisinière, c’est la paroi inférieure de la marmite qui devient la plus chaude », a expliqué Boreyko. « Vous avez également tendance à (chauffer des objets au micro-ondes) dans un récipient assez lisse – par exemple du verre – de sorte que vous n’avez pas ces points chauds localisés qui vous aident à franchir cette barrière énergétique pour créer la première interface. »
Cette énorme réserve d’énergie potentielle chimique dans le liquide surchauffé est spontanément libérée sous la forme d’une bulle géante et explosive dès que le récipient est perturbé, ce qui rend l’eau chauffée au micro-ondes étonnamment dangereuse.
Mais la surchauffe n’est pas exclusive à l’eau ; c’est possible pour n’importe quel liquide, a déclaré Gallo.
« L’eau a une tension superficielle très élevée par rapport à la plupart des liquides, mais fondamentalement, plus la tension superficielle est élevée, plus l’effet est spectaculaire », a ajouté Boreyko.
