E31 Ebulição - Convecção Natural

Tópico

A ebulição desta água dentro desta panela é um sistema de convecção natural, a mesma convecção natural que outro modelo deste sistema estabelece como impulsionada por uma diferença de densidade causada por uma diferença de temperatura: aqui, esta convecção natural é impulsionada pela diferença de densidade entre a água mais leve e quente no fundo da panela e a água mais pesada e ainda fria na superfície. Esta sequência física de ebulição começa com a formação de correntes de convecção natural dentro da panela, assim que o número de Rayleigh da água se torna suficientemente alto, e culmina na ebulição nucleada e, em seguida, na ebulição completa. A maior diferença de densidade entre o fundo e a superfície da panela torna essas correntes de convecção natural mais intensas.

As equações de Navier-Stokes descrevem o movimento desta água dentro desta panela sob a ação combinada de gradientes de pressão, forças viscosas e empuxo gravitacional. A aproximação de Boussinesq simplifica esse tratamento: ela considera a densidade da água constante em todos os pontos, exceto no termo de flutuabilidade gravitacional, onde a diferença de densidade entre quaisquer dois pontos na água permanece proporcional à diferença de temperatura entre esses mesmos dois pontos. Uma maior diferença de temperatura entre o fundo e a superfície da panela significa que, de acordo com essa mesma aproximação de Boussinesq, a diferença de densidade entre esses dois pontos é consequentemente maior e, portanto, a flutuabilidade gravitacional que impulsiona essas correntes de convecção natural é mais intensa.

O número de Rayleigh dessa água, que combina o número de Grashof com o número de Prandtl (que estabelece outro modelo para esse sistema), resume a competição entre a flutuabilidade gravitacional que impulsiona o movimento da água e as forças dissipativas da água — sua viscosidade e difusão térmica — que, por sua vez, se opõem a esse mesmo movimento. Quando esse número de Rayleigh ultrapassa um limite elevado, o fluxo da água torna-se turbulento, gerando o borbulhamento característico e o movimento caótico da ebulição vigorosa. Um número de Rayleigh mais elevado, com a força de empuxo gravitacional predominando ainda mais sobre as forças dissipativas da água, torna o fluxo da água mais facilmente turbulento.

A ebulição nucleada dessa água começa quando o superaquecimento local da água acima do seu ponto de ebulição é suficiente para que uma cavidade ou rugosidade no fundo da panela atue como núcleo de uma bolha de água. O critério de Jakob indica que esse mesmo limiar de superaquecimento local necessário depende inversamente do raio efetivo dessa cavidade ou rugosidade no fundo da panela, de modo que uma superfície mais rugosa no fundo da panela faz com que a água ferva mais cedo do que uma superfície mais lisa. O fato de essa cavidade ou rugosidade no fundo da panela ter um raio efetivo menor significa que, de acordo com o critério de Jakob, esse limiar de superaquecimento local necessário para a ebulição nucleada é consequentemente maior.

Portanto, este modelo, com sua convecção natural e ebulição nucleada, distingue, na prática culinária, entre uma fervura vigorosa e uma fervura suave desta água: uma fervura vigorosa, com a água em ebulição plena, melhora a transferência de calor para o alimento submerso e o agita mais, embora consuma mais energia para se manter. Uma fervura suave, com muito menos superaquecimento localizado acima do ponto de ebulição desta água, é suficiente para cozinhar lentamente o mesmo alimento sem comprometer sua textura delicada, como a de um peixe ou um ovo pochê. O fato de o alimento submerso nesta água ter uma textura mais delicada torna, consequentemente, aconselhável cozinhá-lo em fervura suave em vez de vigorosa.

ID:2425