E31 Kochen natürliche Konvektion

Thema

Das Sieden des Wassers in diesem Topf ist ein natürliches Konvektionssystem. Ein anderes Modell dieses Systems beschreibt die natürliche Konvektion als Folge eines Dichteunterschieds, der durch einen Temperaturunterschied verursacht wird. Hier wird die natürliche Konvektion durch den Dichteunterschied zwischen dem leichteren, heißen Wasser am Topfboden und dem schwereren, noch kalten Wasser an der Oberfläche angetrieben. Dieser physikalische Siedevorgang beginnt mit der Bildung natürlicher Konvektionsströme im Topf, sobald die Rayleigh-Zahl des Wassers ausreichend hoch ist, und gipfelt im Blasensieden und schließlich im vollständigen Sieden. Der größere Dichteunterschied zwischen Topfboden und -oberfläche verstärkt diese natürlichen Konvektionsströme.

Die Navier-Stokes-Gleichungen beschreiben die Bewegung des Wassers im Topf unter dem Einfluss von Druckgradienten, viskosen Kräften und der Schwerkraft. Die Boussinesq-Approximation vereinfacht diese Betrachtung: Sie behandelt die Dichte des Wassers als überall konstant, außer im Term der Gravitationsauftriebskraft. Dort bleibt die Dichtedifferenz zwischen zwei beliebigen Punkten im Wasser proportional zur Temperaturdifferenz zwischen denselben Punkten. Eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem Boden und der Oberfläche des Topfes bedeutet gemäß dieser Boussinesq-Approximation, dass die Dichtedifferenz zwischen diesen beiden Punkten entsprechend größer ist und die Gravitationsauftriebskraft, die diese natürlichen Konvektionsströme antreibt, daher stärker ist.

Die Rayleigh-Zahl dieses Wassers, die die Grashof-Zahl mit der Prandtl-Zahl kombiniert (und damit ein weiteres Modell für dieses System darstellt), fasst das Zusammenspiel zwischen der Gravitationsauftriebskraft, die die Wasserbewegung antreibt, und den dissipativen Kräften des Wassers – seiner Viskosität und Wärmediffusion – zusammen, die dieser Bewegung entgegenwirken. Überschreitet die Rayleigh-Zahl einen hohen Schwellenwert, wird die Wasserströmung turbulent und erzeugt das charakteristische Blubbern und die chaotische Bewegung des heftigen Siedens. Eine höhere Rayleigh-Zahl, bei der die Gravitationskraft die dissipativen Kräfte des Wassers noch stärker überwiegt, führt zu einer noch leichteren Turbulenz der Wasserströmung.

Das Blasensieden beginnt, sobald die lokale Überhitzung des Wassers über seinen Siedepunkt hinaus ausreicht, damit eine Vertiefung oder Unebenheit am Topfboden als Keim einer Wasserblase wirkt. Jakobs Kriterium besagt, dass dieser Schwellenwert der notwendigen lokalen Überhitzung umgekehrt proportional zum effektiven Radius dieser Vertiefung oder Unebenheit am Topfboden ist. Eine raue Oberfläche am Topfboden führt demnach zu einem schnelleren Sieden als eine glattere. Da diese Vertiefung oder Unebenheit am Topfboden einen kleineren effektiven Radius aufweist, ist dieser Schwellenwert der für das Blasensieden notwendigen lokalen Überhitzung gemäß Jakobs Kriterium entsprechend höher.

Dieses Modell, das auf natürlicher Konvektion und Blasenbildung basiert, unterscheidet daher in der praktischen Kochpraxis zwischen kräftigem und sanftem Sieden: Kräftiges Sieden, bei dem das Wasser sprudelnd kocht, verbessert die Wärmeübertragung auf das Gargut und bewegt es stärker, verbraucht aber mehr Energie. Sanftes Sieden, bei dem das Wasser deutlich weniger lokal überhitzt, genügt, um dasselbe Gargut, wie beispielsweise Fisch oder ein pochiertes Ei, schonend und ohne Beschädigung seiner zarten Konsistenz zu garen. Da das Gargut in diesem Wasser eine empfindlichere Konsistenz aufweist, empfiehlt es sich daher, es sanft statt kräftig zu kochen.

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