Кипение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Кипение - процесс парообразования в жидкости, включающий рождение пузырьков пара, их рост, движение и взаимодействие; частный случай неравновесного фазового перехода 1-го рода.

Кипение вызывается перегревом жидкости, состояние к-рой попадает в область выше линии равновесия (бинодали, см. рис. к ст. Ван-деp-Bаальса уравнение), или понижением давления ниже его значения на линии равновесия жидкость - пар. На диаграмме состояния процесс К. описывается нек-рой траекторией или точкой внутри области метастабильного (перегретого) состояния (рис.), ограниченной с одной стороны бинодалью, с другой - спинодалью, границей термодинамич. устойчивости жидкости. При отрицат. давлении, соответствующем растяжению жидкости, наблюдается кавитация -, явление, родственное К.

Давление пара в квазиравновесном пузырьке

уравновешивается давлением жидкости

и межфазным натяжением

. В соответствии с Лапласа законом кри-тич. радиус пузырька (равновесного пузырька) равен

Давление пара в пузырьке

связано с давлением на-сыщ. пара над горизонтальной поверхностью жидкости (давлением на бинодали) при той же температуре Кельвина уравнением. При

пузырьки схлопываются, при

- растут.

Фазовая диаграмма воды: р - давление; Т - температура; К - критическая точка воды; 1 - бинодаль; 2 - спино-даль (область между 1 и 2 - область метастабильно-го, перегретого состояния); 3 - линия достижимого в опытах перегрева кипящей жидкости.

Рождение пузырька пара в объёме гомогенной жидкости происходит при преодолении энергетич. барьера, равного работе образования критич. пузырька:

(ф-ла Гиббса). Энергетич. барьер может быть преодолен в тех областях жидкости, где возникают термодинамич. флуктуации её плотности. Частоту J рождения флуктуац. пузырьков описывает теория Фольмера - Зельдовича - Кагана. С хорошей точностью

Интенсивное флуктуац. зародышеобразование в гомогенной жидкости развивается при высоких перегревах (напр., в воде при атм. давлении J=10¹⁰ м^-3с^-1, если T=578 К).

В объёме неочищенной, не лишённой примесей и растворенных газов жидкости и на границах с твёрдой фазой обычно имеются (или временно появляются) зоны предпочтит. рождения пузырьков. К таким центрам К. относятся как спонтанные флуктуационные, так и готовые, уже имевшиеся в жидкости (напр., пузырьки нерастворённого газа, газовые и паровые пузырьки в микротрещинах на неполностью смоченной поверхности стенок). При развитом К. готовые центры возобновляются за счёт захвата пара микроуглублениями (порами) на нагреваемой поверхности.

Центрами спонтанного кипения могут быть плохо смачиваемые участки (т. н. островки Френкеля) и поры на твёрдой поверхности, зоны повыш. концентрации легкокипящей компоненты (напр., образовавшейся при электролизе), области локального тепловыделения (напр., зоны протекания экзотермич. хим. реакций) или локального растяжения (центры кавитации). В центрах спонтанного К. работа образования критич. пузырька меньше, чем в др. точках объёма жидкости, поэтому активация центров К. наблюдается при более низких темп-pax перегрева - при состояниях жидкости, попадающих в область между линиями 1 и 3 на рис.

В квазистационарных режимах К. обычно обеспечивается готовыми центрами и перегрев выше линии бинодали невелик (~10 К). В нестационарных процессах существен вклад спонтанных центров К. При достаточно быстром переводе жидкости в метастабильное, перегретое состояние траектория процесса вскипания на фазовой диаграмме может приблизиться к спинодали 2 и осн. процессом становится гомогенное флуктуац. зародышеобразование; такой режим К. наз. ударным, парообразование при этом носит взрывной характер.

Пузырёк с радиусом

растёт со скоростью, определяемой подводом теплоты к жидкости через межфазную поверхность, а также диффузией легко кипящей компоненты (в растворах), вязкостью и инерц. силами. На ранней стадии роста пузырьков скорость ограничивается в первую очередь инерц. силами. Скорость

изменения радиуса определяется ф-лой Рэлея:

где

- плотность жидкости. По мере роста пузырька основными становятся условия тепло- и массоподвода к межфазной поверхности, причём ограничение процессами переноса приводит к падению скорости с увеличением времени t развития пузырька:

(асимпто-тич. стадия роста пузырька). В нек-рых случаях теплоты перегрева жидкости достаточно для полного покрытия расхода энергии на парообразование. В таких режимах рэлеевская стадия роста пузырьков, описываемая (4), в однокомпонентных жидкостях продолжается до слияния пузырьков.

Различают объёмное и поверхностное кипение. При поверхностном кипении осн. источником жизнеспособных паровых пузырьков является слой жидкости, примыкающий к нагреваемой поверхности. Если осн. объём жидкости имеет температуру ниже равновесной температуры на бинодали (т. н. К. с недогревом), то пузырьки пара, образовавшиеся вблизи нагреваемой поверхности, попадая при мигрировании в холодные слои, схлопываются. В сильно недогретой жидкости пузырьки, формирующиеся на нагреваемой поверхности, не достигают отрывного размера вследствие конденсации пара в противоположной от нагревателя части пузырька. Объёмное К. происходит при перегреве во всём объёме жидкости или при понижении давления. В этом случае пузырьки рождаются во всём объёме жидкости или во фронте волны спада давления.

Рост пузырьков при кипении оказывает механич. (гидроди-намич.) воздействие на систему в целом. В частности, в замкнутом объёме перегретой жидкости по мере увеличения паросодержания растёт давление. В стеснённых дозвуковых стационарных потоках вскипающей жидкости (напр., в трубах) рост паросодержания вниз по течению сопровождается снижением давления, поэтому при истечении кипящей перегретой жидкости из щелей и сопел наблюдается эффект "запирания" - снижение расхода жидкости. Пузырьки пара при росте и схлопывании излучают акустич. энергию (шум К.). Быстрый рост давления при взрывном кипении может привести к разрушению конструкций (паровой взрыв). Пузырьки, всплывающие в гравитац. поле, вызывают дополнит. конвективные потоки, что способствует перемешиванию жидкости, а поверхностное К. эффективно возбуждает турбулентное движение пристеночного слоя жидкости.

Поверхностное кипение широко используется для интенсивного охлаждения поверхности (теплосъёма). Количеств. характеристикой эффективности теплосъёма служит коэф. теплоотдачи

, определяемый как отношение плотности теплового потока q к перепаду температуры

между нагретой поверхностью и жидкостью. При развитом стационарном К. температурой жидкости считают температуру на бинодали. С ростом перепада температур

по мере развития К. коэф. теплоотдачи растёт

(показатель степени т меняется в пределах от 2 до 3). При достаточно высоком локальном паросодержании в пограничном слое жидкости пузырьки начинают взаимодействовать между собой, образуя паровые полости сложной формы.

При скорости стационарного отвода теплоты от поверхности нагревателя выше нек-рого макс. значения начинает проявляться неустойчивость встречных потоков жидкости и пара (неустойчивость Гельмгольца). В результате на нагревателе образуется плёнка пара, резко снижающая коэф.

и поток q (кризис К.). Если паровой слой покрывает всю нагреваемую поверхность, то К. наз. плёночным. На границе пар - жидкость в этом случае возбуждаются поверхностные волны, на гребнях к-рых образуются крупные пузыри пара, к-рые затем отрываются. Переход от пузырькового К. к плёночному наз. первым кризисом К., обратный переход - вторым кризисом К. Второй кризис К. объясняется неустойчивостью межфазной границы пар - жидкость (неустойчивость Тейлора). В опытах с водой при атм. давлении и в условиях естеств. конвекции первый кризис К. наступает при

К (q=0,9 МВт/м²), второй - при

К (q=0,2 МВт/м²).

При независимом задании теплового потока (напр., при прохождении электрич. тока или радиац. обогреве) наблюдается неоднозначная зависимость

от q (гистерезис температуры), вызванная тем, что тепловой поток в условиях наступления первого кризиса К. больше, чем тепловой поток в условиях второго кризиса К.

В нестационарных режимах поверхностного К. с недогревом при значит. перегревах пограничного слоя жидкости переход к плёночному К. может произойти без стадии развитого пузырькового К. При ударном режиме К. темп-pa перехода к плёночному К. (термодинамич. кризис К.) вычисляется с помощью теории флуктуац. зародышеобразования.

Применение процесса кипения в науке и технике разнообразно. Его используют для увеличения поверхности испарения в опреснит. установках, визуализации треков элементарных частиц в пузырьковых камерах, в холодильной технике, процессах ректификации и т. д.

Литература по кипению

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.