Russische und tschechische Physiker haben den Prozess des Verbrennens von Lebensmitteln in der Mitte einer Bratpfanne während des Erhitzens untersucht - die Geschwindigkeit des Ölausflusses aus der Mitte wird ziemlich genau durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Tropfens beschrieben, der auf eine harte Oberfläche fällt. Verantwortlich für diesen Effekt war die thermokapillare Konvektion – ein Beispiel für den Marangoni-Effekt: Ein Temperaturgradient führt zu einer unterschiedlichen Oberflächenspannung im Zentrum und am Rand der Pfanne. Um dies zu vermeiden, raten die Autoren, mehr Öl oder eine gleichmäßig erwärmende Pfanne zu verwenden. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht.
Viele Leute verwenden antihaftbeschichtete Teflonpfannen, deren Geschichte wir versehentlich in einem Blog erfahren haben. Teflon wird aufgrund seiner Hydrophobie nicht mit Wasser benetzt, daher haftet das Gargut nicht an der Oberfläche. Heute gibt es andere hydrophobe nicht-polymere Beschichtungen: zum Beispiel anodisches Aluminiumoxid, keramische Beschichtungen aus Siliziumdioxid oder Titan. Es kommt jedoch vor, dass Lebensmittel auch in antihaftbeschichteten Pfannen anbrennen, und dies geschieht oft in der Mitte der Pfanne. Beim Erhitzen der Pfanne fließt das Öl von der Mitte zum Rand der Pfanne und bildet eine trockene Stelle.
Flüssigkeitsfilme finden sich auch in Rotations- und Rohrdestillationskolonnen, Wäschern und elektronischen Kühlsystemen. Auch bei diesen Systemen können Trockenstellen auftreten: Dies kann zu lokaler Überhitzung oder Störung des Stoff- und Wärmeübergangs führen. Daher ist die Ermittlung der Ursachen und Lösungsmöglichkeiten des Problems eine wichtige technologische Herausforderung.
Alexander Fedorchenko und Jan Hruby vom Institut für Thermomechanik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Thermophysik, benannt nach A. I. S. S. Kutateladze. Sie trugen Sonnenblumenöl auf eine Pfanne auf und sahen zu, wie es sich über einer erhitzten antihaftbeschichteten Pfanne ausbreitete. Die Geschwindigkeit der Bildung eines trockenen Flecks in der Mitte der Pfanne beträgt 5,5 Zentimeter pro Sekunde und stimmt mit hoher Genauigkeit mit dem theoretisch berechneten Wert der Streugeschwindigkeit eines auf die Oberfläche fallenden Tropfens (5,3 Zentimeter pro Sekunde) überein.
Erscheinungsbild trockener Stellen
Der Grund, warum der fließende Dünnfilm im stationären Zustand bricht, ist die Konzentration oder thermische Kapillarkonvektion. Dieses Verfahren basiert auf dem kapillaren Marangoni-Effekt – der gleiche Effekt, der für „Weintränen“und „Kaffeeflecken“verantwortlich ist. Bei einer strömenden Flüssigkeit führt der Oberflächenenergiegradient zu einer starken Verformung der freien Oberfläche der Folie. Durch Lösen der Navier-Stokes-Gleichung für einen fließenden Flüssigkeitsfilm erhielten die Autoren einen Ausdruck für das Profil.
Flüssigkeitsfilm-Wellenprofil bei einer Temperaturdifferenz von 5 Grad
Unterschreitet die Schichtdicke den kritischen Wert, kommt es zum Bruch – und mit Hilfe der Lösung lässt sich herausfinden, wo er bei bekannter Temperaturverteilung passieren wird. Im Hinblick auf die Bildung eines trockenen Flecks ist nicht nur die Verformungstiefe des Films wichtig, sondern auch die Größe der resultierenden Fossa: Wenn sie kleiner als die Kapillarlänge ist, wird die verformte Oberfläche wiederhergestellt und es wird keinen Bruch geben.
So zeigten die Autoren, dass Öl aufgrund der thermokapillaren Konvektion auch in antihaftbeschichteten Pfannen wie jede schlecht benetzende Flüssigkeit von der Mitte, wo die maximale Temperatur beobachtet wird, zu den Rändern, wo die Temperatur minimal ist, fließen kann. Um dies zu vermeiden, raten die Autoren, die Ölmenge zu erhöhen, die Erwärmung der Pfanne auszugleichen (z. B. eine Pfanne mit dickem Boden zu verwenden) oder die Speisen einfach häufiger umzurühren.
Der Marangoni-Effekt kann nicht nur in den umgebenden Phänomenen beobachtet, sondern auch genutzt werden. So untersuchte vor einigen Jahren eine Gruppe von Physikern die Ausbreitung eines Tropfens wasserlöslichen Isopropanols. Durch Veränderung der Zusammensetzung und Oberflächenspannung solcher Tröpfchen konnten die Autoren eine Marangoni-Strömung zur effektiven Reinigung der Wasseroberfläche erhalten.
