Перегрев

Нагревание жидкости до температуры выше точки кипения без кипения.

В термодинамике перегрев (иногда называемый замедлением кипения или задержкой кипения ) — это явление, при котором жидкость нагревается до температуры , превышающей ее температуру кипения , без кипения . Это так называемое метастабильное состояние или метасостояние , при котором кипение может произойти в любой момент, вызванное внешними или внутренними воздействиями. ^{[1] [2]} Перегрев достигается путем нагревания однородного вещества в чистом контейнере, без 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 . ^[3]

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 расширился, 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. ^[4]

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 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 плоскость, разрезающую пузырь на две половины. Каждая половина притягивается к середине силой поверхностного натяжения , которая должна уравновешиваться 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 напряжения , требующего 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. ${\displaystyle \Delta p}$

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. ^[6] 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 нагревания 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 размешивания) или использовать поцарапанный контейнер. Чтобы избежать опасного внезапного закипания, не рекомендуется нагревать воду в микроволновой печи слишком долго. ^[3]

Приложения

Перегрев водородной жидкости используется в пузырьковых камерах .

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Дебенедетти, PGМетастабильные 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, Центр устройств и радиологии (03.11.2018). «Риск ожогов от излияний горячей воды, перегретой в микроволновых печах». FDA .
4. Критические капли и зародышеобразование, Корнельская лаборатория твердого тела
5. Взаимодействие атмосферы и океана. Эрик Брэдшоу Краус, Джуст А. Бусингер. Опубликовано Oxford University Press, США, 1994 ISBN 0-19-506618-9 , стр. 60. 
6. Справочные страницы городских легенд: Перегретая вода, приготовленная в микроволновой печи

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 Луи А. Блумфилдом, профессором физики Университета Вирджинии. Эксперимент № 13 протекает с удивительной жестокостью». Архивировано из оригинала 2 июня 2008 года.
• Видео перегретой воды в кастрюле.