Физики объяснили пригорание пищи в центре сковороды

Российский и чешский физики изучили процесс пригорания пищи в центре сковородки во время нагрева — скорость оттока масла из центра довольно точно описывается скоростью растекания капли, упавшей на твердую поверхность. Ответственной за такой эффект оказалась термокапиллярная конвекция — пример эффекта Марангони: градиент температуры приводит к разнице поверхностного натяжения в центре и на границе сковороды. Чтобы этого избежать, авторы советуют использовать больше масла или равномерно прогревающуюся сковороду. Статья опубликована в журнале Physics of Fluids.

Многие используют сковороды с антипригарным покрытием из тефлона, историю случайного получения которого мы рассказывали в блоге. Тефлон в силу своей гидрофобности не смачивается водой, поэтому и приготавливаемая пища не прилипает к поверхности. На сегодняшний день есть и другие гидрофобные неполимерные покрытия: например, анодный оксид алюминия, керамические покрытия из диоксида кремния или титана. Однако бывает, что еда подгорает даже на сковородках с антипригарным покрытием, причем часто это происходит в центре сковороды. В процессе нагрева сковороды масло перетекает из центра на край сковороды, образуя сухое пятно.

Жидкие пленки так же присутствуют в роторных и трубчатых дистилляционных колонках, скрубберах и системах охлаждения электронных систем. Сухие пятна могут встречаться и в этих системах: это может привести к локальному перегреву или нарушению массо- и теплопереноса. А потому установление причин и возможных решений проблемы — важная технологическая задача.

Изучить сухие пятна решили Александр Федорченко (A. I. Fedorchenko) и Ян Грубы (Jan Hruby) из института термомеханики Чешской академии наук и института теплофизики им. С.С. Кутателадзе. Они нанесли на сковороду подсолнечное масло и наблюдали процесс растекания по нагреваемой сковороде с антипригарным покрытием. Скорость образования сухого пятна в центре сковороды равна 5,5 сантиметрам в секунду и с высокой точностью совпала с теоретически рассчитанным значением скорости растекания капли, упавшей на поверхность (5,3 сантиметра в секунду).

Причина, по которой текущая тонкая пленка разрывается в устойчивом состоянии — концентрационная или тепловая капиллярная конвекция. В основе этого процесса лежит капиллярный эффект Марангони — тот же эффект, что отвечает за «винные слезы» и «кофейные пятна». В случае текущей жидкости градиент поверхностной энергии приводит к сильной деформации свободной поверхности пленки. Решая уравнение Навье-Стокса для текущей пленки жидкости, авторы получили выражение для профиля.

Если толщина пленки становится меньше критического значения, то происходит разрыв — и с помощью решения можно узнать в каком месте он случится, если известно распределение температуры. С точки зрения образования сухого пятна важна не только глубина деформации пленки, но и размер получающейся ямки: если он меньше капиллярной длины, то деформированная поверхность восстановится и никакого разрыва не будет.

Таким образом, авторы показали, что из-за термокапиллярной конвекции даже на сковородах с антипригарным покрытием масло, как и любая плохо смачивающая жидкость, может оттекать из центра, где наблюдается максимальная температура, к краям — где температура минимальна. Чтобы это избежать, авторы советуют увеличить количество масла, выравнять нагрев сковороды (например, использовать сковороду с толстым дном) или просто чаще перемешивать пищу.

Эффект Марангони можно не только наблюдать в окружающих явлениях, но и использовать. Например, несколько лет назад группа физиков изучила растекание по воде капли растворимого в ней изопропанола. Меняя состав и поверхностное натяжение таких капель, авторы смогли получить поток Марангони для эффективной очистки поверхности воды.