Взрывное кипение
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
В термодинамике в взрывное кипение или фазовый взрыв — это метод, при котором перегретая метастабильная жидкость подвергается взрывному фазовому переходу жидкость-пар стабильное двухфазное состояние из-за массового гомогенного зарождения пузырьков пара. Эту концепцию впервые предложил М.М. Мартынюк в 1976 году. [1] а затем позже выдвинуты Фуке и Зейделем. [2]
Механизм
[ редактировать ]
Взрывное кипение лучше всего можно описать фазовой диаграммой pT. [3] На рисунке справа показана типичная фазовая диаграмма pT вещества. Линия бинодали или кривая сосуществования — это термодинамическое состояние, в котором при определенной температуре и давлении жидкость и пар могут сосуществовать. Спинодальная линия справа — это граница абсолютной неустойчивости раствора при распаде на несколько фаз. Типичный процесс нагрева показан красными чернилами.
Если процесс нагревания относительно медленный, у жидкости есть достаточно времени, чтобы релаксировать до равновесного состояния и жидкость движется по бинодали, соотношение Клаузиуса-Клапейрона все еще остается в силе. За это время в веществе происходит гетерогенное испарение с образованием пузырьков из примесных участков, поверхностей, границ зерен и т. д. [4]
С другой стороны, если процесс нагревания достаточно быстрый, и вещество не может достичь бинодальной кривой из-за гетерогенного кипения, жидкость становится перегретой, и ее температура превышает точку кипения при данном давлении. Затем система отходит от бинодали и продолжает следовать по красной кривой, приближаясь, таким образом, к спинодали. Вблизи критической температуры термодинамические свойства, такие как теплоемкость, плотность быстро меняются, как показано на рисунке справа. Плотность и энтропия претерпевают наибольшие колебания. В это время возможны большие колебания плотности в очень маленьком объеме. Это колебание плотности приводит к зарождению пузыря. Процесс зарождения пузырьков происходит однородно повсюду в веществе. Скорость зарождения пузырьков и скорость роста паровой сферы экспоненциально возрастают ближе к критической температуре. Увеличение нуклеации препятствует переходу системы в спинодаль. Когда радиус пузырька достигает критического размера, он продолжает расширяться и в конечном итоге взрывается, образуя смесь газа и капель, что называется взрывным кипением или фазовым взрывом.
Вначале взрывное кипение использовалось Мартынюком для расчета критической температуры металлов. Он использовал электрическое сопротивление для нагрева металлической проволоки. Позже было обнаружено, что взрывное кипение происходит при использовании сверхбыстрой фемтосекундной лазерной абляции. Хотя такого рода взрывное кипение должно происходить по любому механизму, при котором температура жидкости быстро повышается до критической температуры вещества.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мартынюк, М.М. (1 марта 1977 г.). «Фазовый взрыв метастабильной жидкости». Горение, взрыв и ударные волны . 13 (2): 178–191. дои : 10.1007/BF00754998 . S2CID 98386500 .
- ^ Зейдел, У; Фуке, W (1 июля 1978 г.). «Экспериментальное определение критических параметров жидкого молибдена». Физический журнал F: Физика металлов . 8 (7): Л157–Л161. Бибкод : 1978JPhF....8L.157S . дои : 10.1088/0305-4608/8/7/003 .
- ^ Булгакова, Н.М.; Булгаков, А.В. (1 августа 2001 г.). «Импульсная лазерная абляция твердых тел: переход от нормального испарения к фазовому взрыву». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 73 (2): 199–208. Бибкод : 2001ApPhA..73..199B . дои : 10.1007/s003390000686 . S2CID 98776908 .
- ^ Кристенсен, Б.; М. С. Тиллак (2003). «Обзор механизмов выброса капель жидкости с поверхностей, подвергающихся быстрому импульсному нагреву» (PDF) . Калифорнийский университет, UCSDENG-100 . Проверено 5 марта 2013 г.