Перегріта рідина

Перегрі́та рідина́ (англ. superheated liquid) — рідина, що нагріта до температури, вищої за температуру кипіння^[1]. Перегріта рідина є прикладом метастабільного стану, який за певних умов у низці енергетичних і технологічних режимів спричиняє такі специфічні динамічні явища, як вибухоподібне закипання за рахунок накопиченого тепла, нестійкість поверхні розділення рідина-пара, формування фронту фазового переходу.

Ізотерми реального газу (схематично)
Лінії:
Сині — ізотерми за температури нижчої від критичної. Зелені ділянки на них — метастабільні стани.
Червона — критична ізотерма.
Блакитні — надкритичні ізотерми.
Точки:
Точка F — точка кипіння.
Точка K — критична точка.
Точка G — точка роси.
Ділянки:
Ділянка, що лежить лівіше від точки F — нормальна рідина.
Пряма FG — рівновага рідкої і газоподібної фази.
Ділянка FA — перегріта рідина.
Ділянка F′A — розтягнена рідина (p<0)
Ділянка AC — аналітичне продовження ізотерми, фізично неможливий стан.
Ділянка CG — пересичена (переохолоджена) пара.
Ділянка, що лежить правіше від точки G — нормальний газ (перегріта пара).
Примітка: Площі фігур FAB і GCB однакові.

Загальні поняття

Величина перегріву залежить від низки фізико-хімічних властивостей як самої рідини, так і граничних твердих поверхонь. Ретельно очищені рідини позбавлені розчинених газів (повітря), можна при дотриманні особливих запобіжних засобів перегріти на десятки градусів без закипання. Коли така перегріта рідина врешті-решт закипає, то процес кипіння протікає вельми бурхливо, нагадуючи вибух. Закипання перегрітої рідини супроводжується розбризкуванням рідини, гідравлічними ударами й інколи навіть руйнуванням посудини. Теплота перегріву витрачається на паротворення, тому рідина швидко охолоджується до температури насиченої пари, з якою вона перебуває у рівновазі. Можливість значного перегрівання чистої рідини без кипіння пояснюється утрудненістю виникнення початкових маленьких бульбашок (зародків), їх утворенню перешкоджає значне взаємне притягання молекул рідини. По іншому відбувається, коли рідина містить розчинені гази й різні найдрібніші завішені тверді часточки. В цьому випадку вже незначне перегрівання (на десяті долі градуса) викликає стійке і спокійне кипіння, оскільки початковими зародками парової фази служать газові бульбашки та тверді частки. Основні центри пароутворення мають місце в точках поверхні, до якої підводиться тепло і є найдрібніші пори з адсорбованим газом, а також різні неоднорідності, включення і нальоти, які знижують молекулярне зчеплення рідини з поверхнею.

Умови існування перегрітої рідини

Існування перегрітих (метастабільних) станів пов'язане із утрудненістю початкової стадії фазового переходу першого роду. Преривчастий характер переходу (${\displaystyle dS\neq 0}$, ${\displaystyle dv\neq 0}$; тут ${\displaystyle S}$ — питома ентропія, ${\displaystyle v}$ — питомий об'єм) виключає можливість перетворення одночасно у всій масі речовини у стані, близькому до фазової рівноваги. Фазовий перехід починається в окремих «точках» однорідної системи, ці точки повинні задовольняти умову ${\displaystyle R>R_{r}}$ (${\displaystyle R}$ — радіус зародка, ${\displaystyle R_{r}}$ — радіус критичного зародка) — тоді ріст нової фази супроводжується зменшенням термодинамічного потенціалу.

Характеристикою потенціального бар'єру, який слід подолати зародку для досягнення критичного розміру, є робота з утворення критичного зародка:

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

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

де

• ${\displaystyle V}$ — об'єм критичної бульбашки;
• ${\displaystyle R_{k}}$ — радіус критичної бульбашки;
• ${\displaystyle p_{s}}$ — тиск пари на лінії насичення (при даній ${\displaystyle T}$);
• ${\displaystyle p}$ — тиск у рідині;
• ${\displaystyle v_{1}}$ — питомий об'єм рідини;
• ${\displaystyle v_{2}}$ — питомий об'єм пари.

${\displaystyle W}$ також можна записати через рівноважні властивості:

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

де ${\displaystyle D}$ — коефіцієнт поверхневого натягу.

Приклади

Якщо з рідини видалити розчинене повітря (багатократним кип'ятінням) і можливі центри пароутворення (пилинки, іони тощо), то можна нагріти рідину до температури, дещо вищої від температури кипіння. Такий стан називається перегрітою рідиною. Стан перегрітої рідини також можна одержати і при зниженні зовнішнього тиску до рівня нижчого за тиск насиченої пари рідини за даної температури.

Аргон за атмосферного тиску:

• t_{насичення} = −186 °C
• t_{досяжного перегрівання} = −142 °C.

Звідси видно, що досяжне перегрівання становить 44 градуси.

Вода дозволяє стійке перегрівання до 200 °C. Нагріта до 300 °C вода може існувати у рідкому стані за атмосферного тиску протягом часу порядку декількох мікросекунд.

Див. також

• Переохолоджена рідина
• Перегріта пара

Примітки

1. Яворський Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Довідник з фізики для інженерів та студентів вищих навчальних закладів / Переклад з 8-го переробл. і випр. вид. Т.: Навчальна книга — Богдан, 2007. — 1040 с. — C.277-278. — ISBN 966-692-818-3

Джерела

• Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. — 2-е изд., перераб., и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 80 с.
• Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. — 312 с.
• Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии / В. П. Скрипов, Е. Н. Синицын, П. А. Павлов и др. М.: Атомиздат, 1980. — 208 с.
• Павлов П. А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей. Свердловск, 1988. — 248 с.
• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М.Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0

Посилання

• Гервидс В. И. Перегретая жидкость на YouTube. НДЯУ МІФІ (10.03.2011). — Фізичні демонстрації.
• В. Е. Виноградов (2006). Исследование вскипания перегретых и растянутых жидкостей (PDF). Институт теплофизики Уральского отделения РАН. с. 43. Архів оригіналу (Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук) за 22 серпня 2011. Процитовано 28 липня 2011.