Что принципиально отличает кавитацию и кипение как разные явления?

Кавитация и кипение - это названия для явления, которое включает внезапное появление пузырьков пара внутри жидкости, и в обоих случаях они происходят, когда местное гидростатическое давление ниже, чем давление пара жидкости, но это не обязательно означает, что они тоже самое.

В этом видео об электрическом нагревательном элементе в воде между 01:00 и 02:00 звук, производимый быстрым коллапсом пузырьков, становится все громче и громче, но видимых пузырьков немного. Считается ли процесс, который производит этот звук кипением или кавитацией ? В чем различие?

Я оставил предварительный ответ на соответствующий вопрос на другом сайте SE: как (на самом деле) переохлажденные пропелленты уменьшают кавитацию внутри турбонасосов и облегчают подачу? Я не мог заставить себя принять ответ на этот вопрос, который начинается с утверждения «кавитация кипит».

Хотя они связаны между собой, что принципиально отличает кавитацию и кипение как разные явления?

Инженер-механик здесь, бывший ядерный военный флот США Учебное определение кавитации, исходя из моей ядерной подготовки:

«Образование и последующее разрушение пузырьков пара, когда давление всасывания падает ниже, а затем поднимается выше давления насыщения».

Это определение относится к давлению всасывания, как в насосе, но я бы сказал более широко и очевидно против большинства других постеров, что кавитация относится больше к образованию и последующему коллапсу паровых пузырьков, чем к тому, как эти паровые пузырьки возникают ,

Теперь я понимаю, что эффект кавитации обычно происходит (или наиболее обсуждается, когда это происходит) в насосах и пропеллерах, но это также происходит в кипящей воде.

Когда вы доводите воду до кипения, изначально она тихая и в ней нет пузырьков. В некоторой точке перехода (кипение зародышей) пузырьки образуются на дне сковороды, отрываются, но разрушаются до того, как достигают поверхности . Этот вид кипения (в кулинарных терминах называемый кипятком) можно правильно назвать кавитацией. Это также очень шумная фаза в процессе кипения - это «шумный» период в видео OP.

После кавитации наступает (по крайней мере, для приготовления пищи) заключительная фаза кипения, при которой основная масса жидкости кипит и пузырьки достигают поверхности воды (отход от закипания ядра). Несмотря на то, что кипение кажется более энергичным, на самом деле это намного тише, потому что кавитация больше не происходит .

Кавитация - это звуки, издаваемые горшком с водой до полного кипения. Как только кипение достигнуто, пузырьки пара достигают поверхности, и качество звука меняется от жгучей до бульканья.

Все это говорит, что на других постах было много разговоров о том, что кипение - это применение тепла, а кавитация - о снижении давления. Опять же, снижение давления (ниже давления насыщения) является причиной кавитации, но снижение давления не является определением кавитации.

Термин для создания пузырьков пара путем снижения давления называется мгновенной перегонкой или мгновенным испарением . Термин для создания пузырьков пара путем увеличения тепла называется кипением .

Термин кавитация относится к образованию и последующему разрушению пузырьков пара. Кавитация происходит в насосах, в кастрюле с водой для спагетти, в подводном винт и т. Д. Она не ограничивается каким-либо способом создания (давление или нагрев). Видео в посте ОП показывает кавитацию во время процесса кипения.

:РЕДАКТИРОВАТЬ:

Я чувствовал себя оспорен комментарием Воздуха , чтобы создать источник для определения кавитации , что я представил здесь. Строка, которую я цитировал выше, запомнена примерно 15 лет назад. У меня есть (на книжной полке дома) сжатый технический раздаточный материал без секретной информации, который нам дали по завершении ядерных учебных курсов для личного ознакомления. Пытаясь найти это руководство в Интернете, я нашел веб-сайт технических публикаций, который, по-видимому, воспроизводит часть контента, которому нас учили в программе обучения ядерной энергетике.

В первом томе по механике есть раздел о кавитации, в котором говорится:

Если перепад давления достаточно велик или если температура достаточно высока, перепад давления может быть достаточным для того, чтобы жидкость начала испаряться, когда местное давление падает ниже давления насыщения для перекачиваемой жидкости. Любые пузырьки пара, образующиеся в результате падения давления в проушине рабочего колеса, перемещаются вдоль лопаток рабочего колеса потоком жидкости. Когда пузырьки попадают в область, где местное давление больше, чем давление насыщения, дальше от лопасти рабочего колеса, пузырьки пара внезапно разрушаются. Этот процесс образования и последующего коллапса пузырьков пара в насосе называется кавитацией.

(Подчеркнуто). Определение, которое нам было дано запомнить (как я цитировал вверху), является сокращенной версией этого утверждения для воспроизведения на экзаменах.

В настоящее время на этом конкретном веб-сайте нет источника , где справочные тома разбиты по разделам относительно источника этого материала, но в верхней части страницы приводится документ DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Вы можете посмотреть этот номер и найти документ, размещенный полностью на веб-сайте Министерства энергетики , где этот отрывок можно найти на странице 12.

Кроме того, что касается комментария о том, что «промышленность не подчиняется линии ВМС США», копия, размещенная на веб-сайте Министерства энергетики США, содержит предисловие и обзор, в котором говорится, что материал был подготовлен с использованием материалов ядерной промышленности и предназначен для использования в обучении. ядерные операторы. Таким образом, возможно, некоторые отрасли промышленности не используют определение кавитации, которое я предоставил, но атомная промышленность использует , и кажется (из комментария Брайона Уолла ), что химическая промышленность также применяет.

Я думаю, что это больше о языке, чем физике. Основное физическое явление - изменение фазы от жидкости к газу, когда давление пара равно гидростатическому давлению в жидкости - одинаково для кипения и кавитации.

В обычном (не научном) использовании «кипение» означает нагревание жидкости до тех пор, пока давление ее пара не станет равным внутреннему давлению жидкости. В большинстве «ненаучных» случаев нагрев осуществляется при (приблизительно) постоянном давлении с границей раздела между жидкостью и газом (например, водой и воздухом), а испаренная жидкость (пар) покидает жидкость и смешивается с газом , передавая тепло из жидкости в газ.

С другой стороны, «кавитация» - это локальное снижение давления в жидкости при (приблизительно) постоянной температуре. Как и при кипении, часть жидкости испаряется, когда давление жидкости равно давлению пара, но пар не может выйти никуда, потому что окружающая жидкость находится под более высоким давлением. Если пузырь жидкости начинает двигаться через жидкость, он вскоре достигает точки, где давление жидкости выше, и он снова превращается в жидкость.

Внезапные волны давления в жидкости, которые возникают при разрушении пузырьков, могут привести к повреждению металлических компонентов, таких как пропеллеры, водяные турбины и т. Д.

Короткий ответ , что кавитация и кипячение оба относятся к изменению фазы из жидкости в газ , который вызывает пузырьки в форму, где кавитация обусловлена падением давления и кипение обусловлено увеличением температуры. Цитирование см. В разделе « Динамика кавитации и пузырей» , стр. 1:

Грубый, но полезный способ различения этих двух процессов состоит в том, чтобы определить кавитацию как процесс зародышеобразования в жидкости, когда давление падает ниже давления пара, а кипение - это процесс зародышеобразования, который происходит [sic], когда температура поднимается выше температура насыщенного пара / жидкости. Конечно, с базовой физической точки зрения между этими двумя процессами есть небольшая разница ... Различия в этих двух процессах возникают из-за различных осложняющих факторов, которые возникают в кавитирующем потоке, с одной стороны, и в градиентах температуры. и эффекты стены, которые происходят при кипении с другой стороны.

Если вы хотите узнать, как это различие может быть полезным, полный текст более раннего издания книги доступен на веб-сайте библиотеки Caltech. Найти более новое издание в библиотеке не должно быть трудным, учитывая, что, согласно Google Scholar, эта работа цитировалась почти 3000 раз.

Длинный ответ начинается с того, что эта цитата не претендует на единственное определение кавитации и кипения; он явно предлагает один из способов определения их как двух процессов, который является «грубым, но полезным». Я ожидаю, что доктор Бреннен согласится с тем, что существуют контексты, в которых другие определения более полезны.

В самом общем смысле «кавитация» может означать самопроизвольное появление полостей (также называемых пустотами или пузырьками) внутри жидкости. Если вы исследуете, как различные материалы или геометрии поверхности способствуют или подавляют зародышеобразование, это может быть для вас более полезным определением, чем определение, исключающее нагрев.

В более ограничительном смысле, «кавитация» может означать только то подмножество первых, которое происходит при относительно постоянной температуре, в присутствии твердой границы раздела, которая впоследствии взрывается и способствует износу механических компонентов. Если вы строите двигательную установку для подводной лодки, это может быть более полезным определением, чем любое из двух предыдущих.

Слово «кипячение» предшествует современной термодинамике, поэтому мы не должны удивляться, если это трудно определить. Обычно мы думаем о кипении как о процессе, включающем пузырьки, но пленочное кипение является исключением - очевидно, что люди, исследующие то, что происходит, когда вы прикладываете тонну тепла к границе раздела твердое тело / жидкость, думали, что было бы полезно поместить это явление в ту же категорию, что и зародыш. кипения.

С другой стороны, говорят, что жидкости "кипятятся" в вакууме (и вот вам видео , если вам интересно - попробуйте разобраться, где происходит зародышеобразование!). Как вы думаете, люди в НАСА заботятся о том, требует ли кипячение тепла, когда они работают, чтобы снизить риски, связанные со взрывной декомпрессией? Я не.

Вы получаете очень мало, ожидая или давая ожидание объективно правильной терминологии. Если вы пишете техническую информацию по этому вопросу и хотите провести различие между кавитацией и кипением, просто сделайте ваши определения явными. Проведите тщательную проверку, чтобы убедиться, что ваши определения не являются существенным отклонением от консенсуса, или создайте очень веский аргумент в их поддержку.

Я вижу, как и я, вы хотите простой ответ. В чайнике вода нагревается до точки кипения вокруг элемента, а окружающая вода - нет. Пар не может существовать при температуре ниже 100 ° C при атмосферном давлении, поэтому, когда пар вступает в контакт с более холодной водой, он сразу конденсируется, не оставляя амортизирующего эффекта, поэтому он как металл по отношению к металлу.

Кавитация не должна включать испарение. Жидкость, подобная гидравлической жидкости, если входное отверстие насоса ограничено, образуются пузырьки вакуума. Потому что в них нет воздуха, чтобы смягчить удар, опять же, это как металл против металла. Насос звучит так, словно хрустит металлическая стружка. Несмотря на то, что это жидкость, она ударяет как металл и утомляет металлические детали. Это также происходит, если поток проходит по поверхности, такой как сторона шара, и недостаточно давления, чтобы удерживать его вдоль поверхности, или он стекает с края поверхности, как пропеллер. Жидкость сбрасывается с поверхности, образуются вакуумные пузырьки, а затем разрушаются без амортизации, создавая металлический потрескивающий звук и разрушая края пропеллера. Это еще хуже для подводных лодок. Там написано "Я здесь!" врагу. Вы можете продемонстрировать эффект с помощью садового шланга и ведра воды. Поднимитесь по лестнице. Снимите фитинги и накиньте шланг на поручень или держите его глубоко в ведре и начните сифонировать воду, затем проведите пальцем по входному отверстию. Вы увидите слабую металлическую трещину внутри самой высокой части шланга, когда вода продолжает течь, а затем хлопает себя против себя.

Я немного сбит с толку, если вы спросите насчет кавитации насоса, тогда мой ответ: кавитация подчеркивает обратное кипение (когда пар возвращается в жидкость, коллапсирующий пузырь). Это когда разрушительное действие сделано, столкновение с поверхностью. Вот почему детали крыльчатки повреждены, рядом с выходом.