Перегрев

Эта статья о явлении, когда жидкость может существовать в метастабильном состоянии выше точки кипения. Для воды под давлением выше 100 °C см. « Перегретая вода» . Информацию об устройстве, используемом в паровых двигателях, см. в разделе «Пароперегреватель» . Информацию о «перегреве», используемом в парокомпрессионном охлаждении, см. в разделе « Парокомпрессионное охлаждение» § Термодинамический анализ системы .

В термодинамике перегрев жидкость (иногда называемый замедлением кипения или задержкой кипения ) — это явление, при котором нагревается до температуры , превышающей ее точку кипения , без кипения . Это так называемое метастабильное состояние или метасостояние , при котором кипение может произойти в любой момент, вызванное внешними или внутренними воздействиями. Перегрев достигается путем нагревания однородного вещества в чистой емкости, свободной от мест зародышеобразования , при этом стараясь не нарушить жидкость.

Это может произойти при нагревании воды в микроволновой печи в очень гладком контейнере. Нарушение потока воды может привести к небезопасному выбросу горячей воды и получению ожогов .

Причина

Чтобы произошло кипение, давление пара должно превышать давление окружающей среды плюс небольшое давление, вызванное поверхностным натяжением.

Говорят, что вода «кипит», когда пузырьки водяного пара растут без ограничений и лопаются на поверхности. Чтобы пузырь пара расширялся, температура должна быть достаточно высокой, чтобы давление пара превышало давление окружающей среды ( в первую очередь атмосферное давление ). Ниже этой температуры пузырь водяного пара сожмется и исчезнет.

Перегрев является исключением из этого простого правила; Иногда наблюдается, что жидкость не кипит, даже если давление ее пара превышает давление окружающей среды. Причиной является дополнительная сила поверхностного натяжения , подавляющая рост пузырьков.

Поверхностное натяжение заставляет пузырь действовать как эластичный воздушный шар. Давление внутри слегка повышается из-за того, что «кожа» пытается сжаться. Чтобы пузырек расширился, температура должна быть немного выше точки кипения, чтобы создать давление пара, достаточное для преодоления как поверхностного натяжения, так и давления окружающей среды.

Что делает перегрев настолько взрывоопасным, так это то, что больший пузырь легче надуть, чем маленький; так же, как и при надувании воздушного шара, самое сложное — начать. Оказывается избыточное давление $\Delta p$ за счет поверхностного натяжения обратно пропорциональна диаметру $d$ пузыря. То есть, $\Delta p\propto d^{-1}$.

Это можно получить, представив плоскость, разрезающую пузырь на две половины. Каждая половина притягивается к середине силой поверхностного натяжения. $F\propto \pi d$, который должен быть уравновешен силой избыточного давления $\Delta p\times (\pi d^{2}/4)$. Таким образом, мы получаем $\Delta p(\pi d^{2}/4)\propto \pi d$, что упрощает $\Delta p\propto d^{-1}$.

Это означает, что если самые большие пузырьки в контейнере небольшие, всего несколько микрометров в диаметре, преодоление поверхностного натяжения может потребовать больших усилий. $\Delta p$, требующий превышения температуры кипения на несколько градусов Цельсия. Как только пузырь начинает расти, давление поверхностного натяжения уменьшается, поэтому он взрывно расширяется по петле положительной обратной связи. На практике большинство контейнеров имеют царапины или другие дефекты, в которых задерживаются воздушные карманы, образующие первые пузырьки, а нечистая вода, содержащая мелкие частицы, также может задерживать воздушные карманы. Только гладкая емкость с очищенной жидкостью может надежно перегреться.

Проявление через микроволновую печь

Перегрев может произойти, когда нетронутую емкость с водой нагревают в микроволновой печи . В момент удаления контейнера отсутствие мест зародышеобразования предотвращает кипение, оставляя поверхность спокойной. Однако, как только вода потревожена, часть ее резко превращается в пар , потенциально выплескивая кипящую воду из контейнера. Кипение можно вызвать, толкнув чашку, вставив мешалку или добавив такое вещество, как растворимый кофе или сахар. Вероятность перегрева выше в гладких контейнерах, поскольку в царапинах или сколах могут образовываться небольшие пузырьки воздуха, которые служат точками зародышеобразования . Перегрев более вероятен после повторных циклов нагрева и охлаждения нетронутой емкости, например, когда забытую чашку кофе повторно нагревают, не вынимая из микроволновой печи. Это происходит из-за циклов нагрева, выделяющих растворенные газы, такие как кислород и азот , из растворителя. Существуют способы предотвратить перегрев в микроволновой печи, например, заранее поместить в контейнер неметаллический предмет (например, палочку для перемешивания) или использовать поцарапанный контейнер. Чтобы избежать опасного внезапного закипания, не рекомендуется нагревать воду в микроволновой печи слишком долго.

Приложения

Перегрев водородной жидкости используется в пузырьковых камерах .

См. также

• Автоклав
• Кипящий чип
• Бампинг (химия)
• Критическая точка (термодинамика)
• Переохлаждение
• Пересыщение
• Переохлаждение

Внешние ссылки

• Видео перегретой воды в микроволновке со взрывным закипанием, почему это происходит и чем это опасно.
• Блумфилд, Луи А. «Серия экспериментов с перегретой водой и масляной пленкой, проведенных в микроволновой печи Луисом А. Блумфилдом, профессором физики Университета Вирджинии. Эксперимент № 13 протекает с удивительной жестокостью» . Архивировано из оригинала 2 июня 2008 года.
• Видео перегретой воды в кастрюле.