Перегретая жидкость

Перегретая жидкость

14.12.2020


Перегретая (метастабильная) жидкость — жидкость, нагретая выше температуры кипения. Перегретая жидкость является примером метастабильного состояния, в ряде энергетических и технологических режимов вызывает такие специфические динамические явления, как взрывообразное вскипание за счёт запасённого тепла, неустойчивость поверхности раздела жидкость-пар, формирование фронта фазового перехода.

Существование перегретых (метастабильных) состояний связано с затруднённостью начальной стадии фазового перехода первого рода. Прерывистый характер перехода ( d S ≠ 0 {displaystyle dS eq 0} , d v ≠ 0 {displaystyle dv eq 0} ; здесь S {displaystyle S} — удельная энтропия, v {displaystyle v} — удельный объём) исключает возможность превращения одновременно во всей массе вещества вблизи равновесия. Фазовый переход начинается в отдельных «точках» однородной системы, эти точки должны удовлетворять условию R > R r {displaystyle R>R_{r}} ( R {displaystyle R} — радиус зародыша, R r {displaystyle R_{r}} — радиус критического зародыша) — тогда рост новой фазы сопровождается убылью термодинамического потенциала.

Характеристикой потенциального барьера, который нужно преодолеть зародышу для достижения критического размера, есть работа образования критического зародыша:

W = 1 2 V ( P s − P ) ( 1 − v 1 v 2 ) , {displaystyle W={frac {1}{2}}V(P_{s}-P)left(1-{frac {v_{1}}{v_{2}}} ight),} V = 4 3 π R k 3 , {displaystyle V={frac {4}{3}}pi R_{k}^{3},}

где

  • V {displaystyle V} — объём критического пузырька,
  • R k {displaystyle R_{k}} — радиус критического пузырька,
  • P s {displaystyle P_{s}} — давление пара на линии насыщения (при данной T {displaystyle T} ),
  • P {displaystyle P} — давление в жидкости,
  • v 1 {displaystyle v_{1}} — удельный объём жидкости,
  • v 2 {displaystyle v_{2}} — удельный объём пара.

W {displaystyle W} также можно записать через равновесные свойства:

W = 16 π D 3 3 ( P s − P ) 2 ( 1 − v 1 v 2 ) 2 , {displaystyle W={frac {16pi D^{3}}{3(P_{s}-P)^{2}left(1-{dfrac {v_{1}}{v_{2}}} ight)^{2}}},}

где D {displaystyle D} — коэффициент поверхностного натяжения.

Примеры

Аргон, атмосферное давление:

  • Тнасыщения = −186 °C
  • Тдостижимого перегрева = −142 °C.

Как видно, на опыте достигается перегрев в 44 градуса.

Вода позволяет устойчивый перегрев до 200 °C. Нагретая до 300 °C вода может существовать в жидком состоянии при атмосферном давлении на протяжении времени порядка микросекунд.

Перегретую жидкость можно получить, нагревая воду в СВЧ-печи. Это очень частая[насколько?] причина ожогов, когда вода кажется некипящей, но после легкого толчка вода начинает быстро кипеть.