Кипение - один из наиболее известных физический процессов, происходящих при нагреве жидкости и характеризующийся активным образованием паровых пузырьков (каверн) с последующим их всплытием, шумом и нарушением сплошности среды. Причиной кипения является рост давления насыщенных паров жидкости при повышении температуры до атмосферного давления.
А возможно-ли кипение жидкости без повышения температуры?
Если жидкость закипает при равенстве давления в ней давлению насыщенных паров, то существует три различных способа заставить жидкость кипеть:
- Нагреть жидкость до температуры, при которой давление насыщенных паров станет равным давлению жидкости и жидкость закипит.
- Разогнать жидкость до большой скорости, что, согласно уравнению
Д. Бернулли, приведёт к падению давления в жидкости до давления насыщенных паров и, соответственно, к кипению. - Подействовать на жидкость ультразвуком, что снизит разрывную прочность жидкости и начнётся активное кипение.
Все вышеперечисленных процессы носят единое название - кавитация (от лат. cavitas (cavitatis) — углубление, полость). Кавитация, происходящая при нагреве жидкости, называется термической, при ускорении жидкости - гидродинамической, при воздействии ультразвуком - акустической.
Гидродинамическая кавитация возникает при постоянной температуре из-за локального ускорения потока жидкости в трубопроводах, рабочих колёсах турбин и центробежных насосов, на поверхности гребных винтов.
Гидродинамическая кавитация является крайне негативным процессом для гидромашин и агрегатов, так как приводит к разрушению поверхностей, шуму и уменьшению КПД.
Акустическая кавитация возникает локально при воздействии на жидкость ультразвука.
На данный момент существует две гипотезы, объясняющие кавитацию:
- Гипотеза Л. А. Эпштейна, 1972 (гетерогенного образования) предполагает, что причиной образования пара являются гетерогенные включения (частицы загрязнений, соли, микропузырьки газа, микротурбулентные флуктуации, неровности поверхностей и т.д.) размером от 0,5 до 5 мкм. Гипотеза опирается на факт отсутствия кавитации в идеально чистых и дистиллированных жидкостях, которые не кипят даже при температуре выше температуры кипения (Ю. Л. Левковский, 1978). Так-же гипотеза объясняет акустическую кавитацию – под воздействием ультразвука увеличивается число микротурбулентных флуктуаций. Однако, гипотеза не объясняет кипение почти чистых жидкостей (в лабораторных условиях) перегретых в 3 – 5 раз выше температуры кипения.
- Гипотеза Я. И. Френкеля – Я. Б. Зельдовича, 1980 (гомогенное образование) предполагает, что в жидкости в результате хаотического (термофлуктуационного) движения молекул беспрерывно, спонтанно образуются и разрушаются микрообразования. При этом часть микрообразований исчезает, а часть сохраняется. При превышении радиуса микрообразования свыше критического возникают пузырьковые зародыши, которые вызывают кавитацию в жидкости. Гипотеза объясняет кипение почти чистых жидкостей при перегреве и при давлениях свыше 15 МПа, однако в нормальных условиях кипения (1 атм. и 100°С для воды) размеры микрообразований не могут существенно влиять на кавитацию.
В настоящее время обе гипотезы применяются одновременно.