Що принципово відрізняє кавітацію та кипіння як різні явища?

Кавітація і кипіння - це назви явища, які передбачають раптову появу бульбашок пари всередині рідини, і в обох випадках вони трапляються, коли місцевий гідростатичний тиск нижчий за тиск пари рідини, але це не обов'язково означає, що вони Те ж саме.

У цьому відео про електричний нагрівальний елемент у воді між 01:00 та 02:00 звук, що видається при швидкому розпаді міхура, стає все гучнішим і гучнішим, але мало видимих ​​бульбашок. Чи вважається процес, що видає цей звук, кипінням чи кавітацією ? У чому відмінність?

Я залишив попередню відповідь на відповідне запитання на іншому веб-сайті SE: Як (насправді) субохолоджені паливні речовини зменшують кавітацію в турбонасосах і полегшують подачу? Я не міг змусити себе прийняти відповідь на це питання, яке починається з твердження: "кавітація кипить".

Хоча вони пов'язані між собою, що принципово відрізняє кавітацію та кипіння як різні явища?

Тут інженер-механік, колишній ядерний флот США. Визначення кавітації в підручнику - з моєї ядерної підготовки:

"Утворення і подальше згортання бульбашок пари, коли тиск всмоктування падає нижче, а потім піднімається вище тиску насичення".

Це визначення посилається на тиск всмоктування, як у насосі, але я б сказала більш загально і, мабуть, проти більшості інших плакатів тут, що кавітація стосується більше утворення та подальшого колапсу бульбашок пари, ніж стосується того, як виникають ці бульбашки пари .

Тепер я розумію, що ефект кавітації, як правило, відбувається (або найбільш обговорюється, коли це відбувається) у насосах і пропелерах, але він також буває у киплячій воді.

Коли ви доводите воду до кипіння, спочатку вона тиха, і бульбашок немає. У деякій точці переходу (нуклеотидне кипіння) бульбашки утворюються на дні каструлі, відриваються, але руйнуються, перш ніж вони вийдуть на поверхню . Такий вид кипіння (в кулінарному відношенні його називають кип’ятком) можна правильно назвати кавітацією. Це також дуже галаслива фаза в процесі кипіння - це "шумний" період у відео ОП.

Після кавітації наступає (принаймні для приготування їжі) заключна фаза кипіння, при якій основна рідина кипить і бульбашки досягають поверхні води (відхід від нуклеатного кипіння). Незважаючи на те, що кипіння виглядає більш енергійним, це насправді набагато тихіше, оскільки кавітація більше не відбувається .

Кавітація - це звук пінгвінгу, який видає горщик з водою до повного кипіння. Після досягнення повного кипіння бульбашки пари потрапляють на поверхню, і якість звуку змінюється від пінгвінгу до більшого бурчання.

З урахуванням всього цього, в інших постах було багато розмов про те, що кипіння - це застосування тепла та кавітації, - про зниження тиску. Знову ж таки, зниження тиску (нижче тиску насичення) є причиною кавітації, але зниження тиску - це не визначення кавітації.

Термін створення бульбашок пари за рахунок зниження тиску називають спалаховою перегонкою або спалахом спалаху . Термін створення бульбашок пари за рахунок збільшення тепла називається кипінням .

Термін кавітація відноситься до утворення і подальшого розпаду бульбашок пари. Кавітація відбувається на насосах, у горщику з водою з спагетті, в гвинті підводного човна тощо. Вона не обмежується ані режимом створення (тиском, ані нагріванням). Відео в пості ОП показує кавітацію під час процесу кипіння.

: EDIT:

Я відчув виклик у коментарі Air, щоб створити джерело для визначення кавітації, яке я надав тут. Рядок, який я цитував вище, запам'ятовується приблизно з 15 років тому. У мене (на книжковій полиці вдома) стисла технічна роздача не засекреченої інформації, яку нам дали після завершення ядерних навчальних курсів для особистого ознайомлення. Намагаючись знайти цей посібник в Інтернеті, я знайшов веб-сайт технічних публікацій, який, як видається, відтворює частину вмісту, про який ми навчалися в навчальній програмі з ядерної енергетики.

Перший механічний науковий том містить розділ про кавітацію, в якому йдеться,

Якщо перепад тиску досить великий, або якщо температура достатньо висока, перепад тиску може бути достатнім, щоб рідина спалахувала, коли місцевий тиск опустився нижче тиску насичення рідини, що відкачується. Будь-які бульбашки пари, що утворюються при падінні тиску на око крильчатки, зміщуються вздовж крильчаток крильчака потоком рідини. Коли бульбашки потрапляють в область, де місцевий тиск більший за тиск насичення далі від лопатки крильчатки, бульбашки пари різко руйнуються. Цей процес утворення та подальшого колапсу бульбашок пари в насосі називається кавітацією.

(Наголос додано) Визначення, яке нам було доручено запам’ятовувати (як я цитував вгорі), є скороченою версією цього твердження для відтворення на іспитах.

Зараз на цьому конкретному веб-сайті немає джерела , де посилання на розділи розбиваються за розділами щодо того, звідки походить цей матеріал, але вгорі сторінки надається документ DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Ви можете подивитися цю кількість і знайти документ, розміщений повністю на веб-сайті Департаменту енергетики , де цей уривок можна знайти на сторінці 12.

Далі, щодо коментаря про те, що "промисловість не перебуває в лінії ВМС США", копія, розміщена на веб-сайті DOE, містить передмову та огляд, в якому йдеться про те, що матеріал був підготовлений із вкладу ядерної промисловості та призначений для використання у навчанні ядерні оператори. Так що , може бути , деякі галузі не використовують визначення кавітації я передбачив, але ядерна промисловість робить , і, схоже (від коментаря Bryon Уолла ) , що хімічна промисловість робить також.

Я думаю, це більше стосується мови, ніж фізики. Основне фізичне явище - зміна фази від рідини до газу, коли тиск пари дорівнює гідростатичному тиску в рідині - однакове для кипіння і кавітації.

За загального (ненаукового) використання "кипіння" означає нагрівання рідини до тих пір, поки її тиск пари не дорівнює внутрішньому тиску рідини. У більшості "ненаукових" випадків нагрівання відбувається при (приблизно) постійному тиску з проміжком між рідиною і газом (наприклад, вода і повітря), а випарована рідина (пара) залишає рідину і змішується з газом , передаючи тепло з рідини в газ.

З іншого боку, "кавітація" - це локальне зниження тиску в рідині при (приблизно) постійній температурі. Як і при кип'ятінні, частина рідини випаровується, коли тиск рідини дорівнює тиску пари, але пара нікуди не може вийти, оскільки навколишня рідина знаходиться під більш високим тиском. Якщо міхур пари починає переміщатися через рідину, він незабаром досягає точки, коли тиск рідини вище, і він руйнується назад у рідину.

Раптові хвилі тиску в рідині, які утворюються при розпаді бульбашок, можуть призвести до пошкодження таких металевих компонентів, як пропелери, водяні турбіни тощо.

Коротка відповідь полягає в тому, що кавітація і кипіння стосуються зміни фази від рідини до газу, що призводить до утворення бульбашок, де кавітація рухається за рахунок падіння тиску, а кипіння - за рахунок підвищення температури. Для цитування див. Динаміку кавітації та міхур , сторінка 1:

Грубим, але корисним способом розрізнення цих двох процесів є визначення кавітації як процесу зародження в рідині, коли тиск опускається нижче тиску пари, а кипіння - процес зародження, який виникає [sic] при підвищенні температури вище температура насиченої пари / рідини. Звичайно, з базової фізичної точки зору різниця між цими двома процесами незначна ... Відмінності двох процесів виникають через різні ускладнюючі фактори, що виникають у кавітаційному потоці з одного боку та в градієнтах температури. і настінні ефекти, що виникають при кипінні з іншого боку.

Якщо ви хочете дізнатися, наскільки ця відмінність може бути корисною, повний текст старшого видання книги доступний на веб-сайті бібліотеки Caltech. Пошук останнього видання в бібліотеці не повинен бути складним, враховуючи, що робота була цитується майже 3000 разів за даними Google Scholar.

Довга відповідь починається з того, що ця цитата не претендує на те, що дає єдині визначення кавітації та кипіння; він прямо пропонує один із способів визначення їх як двох процесів, які є "грубими, але корисними". Я думаю, що доктор Бреннен погодиться з тим, що існують контексти, в яких інші визначення є більш корисними.

У дуже загальному сенсі "кавітація" може означати спонтанну появу порожнин (також відомих як порожнечі або бульбашки) всередині рідини. Якщо ви досліджуєте, як різні матеріали або геометрії поверхні сприяють або пригнічують зародження, це може бути для вас більш корисним визначенням, ніж те, що виключає нагрівання.

У більш обмежувальному сенсі "кавітація" може означати лише ту підмножину колишньої, яка виникає при відносно постійній температурі, за наявності міцного інтерфейсу, який пізніше імплодує і сприяє зносу механічних компонентів. Якщо ви будуєте систему приводу для підводного човна, це може бути кориснішим визначенням, ніж будь-який з попередніх двох.

Слово "кипіння" є датою сучасної термодинаміки, тому ми не повинні дивуватися, якщо важко це визначити. Ми зазвичай думаємо, що кипіння є процесом, що включає бульбашки, але кипіння плівки - виняток. Очевидно, люди, які досліджують, що відбувається, коли ви застосовуєте тонну тепла на поверхні твердого / рідкого інтерфейсу, думали, що корисно перенести це явище до тієї ж категорії, що і нуклеати. кипіння.

З іншого боку, також говорять, що рідини «киплять» у вакуумі (і ось це відео , якщо вам цікаво - спробуйте з’ясувати, де відбувається зародження!). Як ви вважаєте, люди в NASA піклуються про те, чи потрібно кипіння тепла, коли вони працюють, щоб зменшити ризики, пов'язані з вибуховою декомпресією? Я не.

Ви дуже мало отримуєте, очікуючи або даючи очікування об'єктивно правильної термінології. Якщо ви робите якісь технічні писання з цього приводу і хочете розрізняти кавітацію і кипіння, просто зробіть свої визначення явними. Зробіть належну ретельність, щоб переконатися, що ваші визначення не є істотним відходом від консенсусу, або ж побудуйте дуже вагомий аргумент на їх підтримку.

Я бачу, як і я, ти хочеш простої відповіді. У чайнику вода нагрівається до температури кипіння навколо елемента, але навколишня вода - ні. Пара не може існувати при температурі менше 100 ° С при атмосферному тиску, тому, коли пара контактує з більш прохолодною водою, вона негайно конденсується, не залишаючи ефекту подушки, так що це як метал проти металу.

Кавітація не повинна включати випаровування. Рідина подібна до гідравлічної рідини, якщо вхід насоса обмежений, утворюються вакуумні бульбашки. Оскільки в них немає повітря, щоб придушити удари, знову ж таки, це як метал проти металу. Насос звучить так, що це хрускіт металевих стружок. Незважаючи на те, що це рідина, він впливає як металеві та втомить металеві деталі. Це також виникає, якщо потік над поверхнею, як бічна кулька, і недостатньо тиску, щоб він тримався за поверхнею, або він стікає з краю поверхні, як гвинт. Рідина викидається з поверхні і утворюються вакуумні бульбашки, потім руйнується без подушки, видаючи звук металевого тріску та розмиваючи краї гвинта. Це ще гірше для підводних човнів. Там написано "Ось я!" ворогу. Ви можете продемонструвати ефект садовим шлангом і відром води. Підніміть це по сходах. вийміть фітинги та перетягніть шланг через поруччя або потримайте його глибоко у відрі і починайте сифонувати воду, а потім засуньте палець по входу. Ви почуєте тут слабку металеву тріщину зсередини найвищої частини шланга, коли вода продовжуватиметься, а потім удариться назад об себе.

Я трохи розгублений, якщо ви запитаєте стосовно кавітації насоса, то моя ан: кавітація підкреслюється на зворотному кипінні (коли пара повертається до рідини, руйнується міхур). Ось тоді робляться руйнівні дії, поверхневі загострення. Ось чому деталі крильчатки пошкоджуються - це близько до виходу.