Перегрев

Нагревание жидкости до температуры выше точки кипения без кипения

В термодинамике перегрев (иногда называемый задержкой кипения или задержкой кипения ) — это явление, при котором жидкость нагревается до температуры выше точки кипения , не закипая . Это так называемое метастабильное состояние или метасостояние , в котором кипение может произойти в любой момент под воздействием внешних или внутренних факторов. ^{[1] [2]} Перегрев достигается путем нагревания однородного вещества в чистом контейнере, свободном от центров зародышеобразования , при этом следует проявлять осторожность, чтобы не потревожить жидкость.

Это может произойти при нагревании воды в микроволновой печи в очень гладкой емкости. Перемешивание воды может привести к небезопасному выбросу горячей воды и ожогам . [ ^3]

Причина

Для того 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, лопаясь на поверхности. Для того, чтобы пузырек пара расширился, температура должна быть достаточно высокой, чтобы давление пара превышало давление окружающей среды ( в первую очередь, атмосферное давление ). Ниже этой температуры пузырек водяного пара сжимается и исчезает.

Перегрев является исключением из этого простого правила; иногда наблюдается, что жидкость не кипит, даже если ее давление паров превышает давление окружающей среды. Причиной является дополнительная сила, поверхностное натяжение , которое подавляет рост пузырьков. ^[4]

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

Что делает перегрев таким взрывоопасным, так это то, что более крупный пузырь легче надуть, чем маленький; так же, как при надувании воздушного шара, самое сложное — начать. Оказывается, избыточное давление из-за поверхностного натяжения обратно пропорционально диаметру пузырька. ^[5] То есть, . ${\displaystyle \Delta p}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$

Это можно получить, представив себе плоскость, разрезающую пузырь на две половины. Каждая половина тянется к середине силой поверхностного натяжения , которая должна быть уравновешена силой избыточного давления . Таким образом, мы получаем , что упрощается до . ${\displaystyle F\propto \pi d}$ ${\displaystyle \Delta p\times (\pi d^{2}/4)}$ ${\displaystyle \Delta p(\pi d^{2}/4)\propto \pi d}$ ${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$

Это означает, что если самые большие пузырьки в контейнере малы, всего несколько микрометров в диаметре, преодоление поверхностного натяжения может потребовать большого , требующего превышения точки кипения на несколько градусов Цельсия. Как только пузырек начинает расти, давление поверхностного натяжения уменьшается, поэтому он расширяется взрывообразно в положительной обратной связи. На практике большинство контейнеров имеют царапины или другие дефекты, которые захватывают карманы воздуха, которые обеспечивают начальные пузырьки, и загрязненная вода, содержащая мелкие частицы, также может захватывать воздушные карманы. Только гладкий контейнер очищенной жидкости может надежно перегреваться. ${\displaystyle \Delta p}$

Возникновение через микроволновую печь

Перегрев может произойти, когда нетронутый контейнер с водой нагревается в микроволновой печи . В то время как контейнер вынимается, отсутствие центров зародышеобразования предотвращает кипение, оставляя поверхность спокойной. Однако, как только вода потревожена, часть ее бурно вспыхивает, превращаясь в пар , потенциально выплескивая кипящую воду из контейнера. ^[6] Кипение может быть вызвано толчком чашки, вставкой перемешивающего устройства или добавлением вещества, такого как растворимый кофе или сахар. Вероятность перегрева выше в гладких контейнерах, потому что царапины или сколы могут содержать небольшие карманы воздуха, которые служат точками зародышеобразования . Перегрев более вероятен после повторных циклов нагревания и охлаждения нетронутого контейнера, например, когда забытая чашка кофе снова нагревается, не вынимая ее из микроволновой печи. Это происходит из-за циклов нагрева, высвобождающих растворенные газы, такие как кислород и азот , из растворителя. Существуют способы предотвращения перегрева в микроволновой печи, например, предварительное помещение неметаллического предмета (например, палочки для размешивания) в емкость или использование поцарапанной емкости. Чтобы избежать опасного внезапного закипания, рекомендуется не нагревать воду в микроволновой печи слишком долго. ^[3]

Приложения

Перегрев жидкого водорода используется в пузырьковых камерах .

Смотрите также

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

Ссылки

1. Дебенедетти, ПГ Метастабильные жидкости: концепции и принципы; Издательство Принстонского университета: Принстон, Нью-Джерси, США, 1996.
2. Марис, Х., Балибар, С. (2000) «Отрицательное давление и кавитация в жидком гелии» Physics Today 53, 29
3. Health, Center for Devices and Radiological (2018-11-03). «Риск ожогов от выбросов горячей воды, перегретой в микроволновых печах». FDA .
4. Критические капли и зародышеобразование, Корнеллская лаборатория твердого тела
5. Взаимодействие атмосферы и океана Эрик Брэдшоу Краус, Джуст А. Бьюсингер Опубликовано Oxford University Press US, 1994 ISBN 0-19-506618-9 , стр. 60. 
6. Страницы справки Urban Legends: Перегретая вода в микроволновой печи

Внешние ссылки

• Видеоролик о взрывном закипании перегретой воды в микроволновке: почему это происходит и чем это опасно.
• Блумфилд, Луис А. "Серия экспериментов с перегретой водой и масляной пленкой, проведенных в микроволновой печи Луисом А. Блумфилдом, профессором физики в Университете Вирджинии. Эксперимент № 13 протекает с удивительной силой". Архивировано из оригинала 2 июня 2008 г.
• Видео перегретой воды в кастрюле.