Перегретая жидкость

Перегре́тая (метастаби́льная) жи́дкость — 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.

Изотермы реального газа (схематично)

Синие — изотермы при температуре ниже критической. Зелёные участки на них — метастабильные состояния.

Участок левее точки F — нормальная жидкость.
Точка F — точка кипения.
Прямая FG — коннода, то есть изотерма равновесия жидкой и газовой фаз внутри двухфазной области.
Участок FA — перегретая жидкость.
Участок F′A — (растянутая жидкость) (p<0).
Участок AC — аналитическое продолжение изотермы, физически невозможен.
Участок CG — (переохлаждённый пар).
Точка G — (точка росы).
Участок правее точки G — нормальный газ.
Площади фигуры FAB и GCB равны.

Красная — критическая изотерма.
K — критическая точка.

Голубые — сверхкритические изотермы

Существование перегретых (метастабильных) состояний связано с затруднённостью начальной стадии фазового перехода первого рода. Прерывистый характер перехода (${\displaystyle dS\neq 0}$, ${\displaystyle dv\neq 0}$; здесь ${\displaystyle S}$ — удельная энтропия, ${\displaystyle v}$ — 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 ${\displaystyle R>R_{r}}$ (${\displaystyle R}$ — радиус зародыша, ${\displaystyle R_{r}}$ — 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:

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}V(P_{s}-P)\left(1-{\frac {v_{1}}{v_{2}}}\right),}$

${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi R_{k}^{3},}$

где

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

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

${\displaystyle W={\frac {16\pi D^{3}}{3(P_{s}-P)^{2}\left(1-{\dfrac {v_{1}}{v_{2}}}\right)^{2}}},}$

где ${\displaystyle D}$ — коэффициент поверхностного натяжения.

Примеры

Аргон, атмосферное давление:

• Т_{насыщения} = −186 °C
• Т_{достижимого перегрева} = −142 °C.

Как видно, на опыте достигается перегрев в 44 градуса.

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

Перегреть воду из естественных источников чрезвычайно сложно, поскольку она содержит большое количество микроскопических взвесей (минеральные частицы, бактерии), которые при нагревании становятся центрами кипения. Однако хорошо отфильтрованная или дистиллированная вода может быть перегрета даже в бытовом чайнике, что представляет повышенную опасность, так как малейшее сотрясение чайника приведет к мгновенному закипанию всего объема перегретой воды, вызвав (паровой взрыв). По этой причине руководства по эксплуатации практически всех чайников содержит запрет на использование дистиллированной воды. Еще большего перегрева можно достичь, нагревая воду в СВЧ-печи. Это очень частая^[] причина ожогов, когда вода кажется не кипящей, но после легкого толчка вода начинает быстро кипеть^[]. По этой причине в руководствах по эксплуатации СВЧ-печей содержится категорический запрет на нагревание с их помощью воды.

Явление перегрева воды снижает КПД паровых котлов.

На явлении перегрева жидкости основаны некоторые технологии очистки загрязненных поверхностей. Очищаемый объект погружается в перегретую жидкость и на загрязнениях образуются паровые пузыри, разрушающие их. Этот же эффект применяется и при (ультразвуковой очистке), где перегрев жидкости создается за счет локального снижения давления за фронтом акустической волны ((ультразвуковая кавитация)).

См. также

• (Переохлаждённая жидкость)
• (Растянутая жидкость)
• (Взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости)

Примечания

1. «Наука Урала» № 12. Май 2009

Литература

В. Е. Виноградов.   (рус.) (Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук) 43. Институт теплофизики Уральского отделения РАН (2006). Дата обращения: 28 июля 2011. Архивировано из оригинала 29 июля 2007 года.

Ссылки

• Перегретая жидкость на YouTube. В. И. Гервидс. (НИЯУ МИФИ) (10.03.2011). — Физические демонстрации.  (Дата обращения: 23 июня 2011)