Суперқыздыру: Сұйықтың қайнау температурасынан жоғары қыздырылуы
Superheating
Сұйықтың қайнау температурасынан жоғары қыздырылуы – суперқыздыру құбылысы. Ядро пайда болу орындары жоқ таза ыдыста қыздыру арқылы жүзеге аспақ. Қауіпсіздік шараларын сақтаңыз!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сұйықтықты қайнау температурасынан жоғары температураға дейін қыздыру, бірақ қайнатусыз.
Heating a liquid to a temperature above its boiling point without boiling
Термодинамикада, аса қыздыру (кейде қайнауды тежеу немесе қайнауды кешіктіру деп аталады) – сұйықтықты қайнау температурасынан асып түсетін температураға дейін қыздыру, бірақ қайнамай. Бұл метастабильді күй немесе метастаз деп аталады, онда сыртқы немесе ішкі факторлардың әсерінен кез келген уақытта қайнау басталуы мүмкін. Аса қыздыру біртекті затты таза ыдыста, ядролану ошақтары болмағанда, сұйықтықты алаңдатпай қыздыру арқылы қол жеткізіледі. Мысалы, мұны өте тегіс ыдыстағы суды микротолқынды пеште қыздыру арқылы жасауға болады. Суды алаңдатса, ыстық судың қауіпті атқылауына және күйіктерге әкелуі мүмкін.
In thermodynamics, superheating (sometimes referred to as boiling retardation, or boiling delay) is the phenomenon in which a liquid is heated to a temperature higher than its boiling point, without boiling. This is a so called metastable state or metastate, where boiling might occur at any time, induced by external or internal effects. Superheating is achieved by heating a homogeneous substance in a clean container, free of nucleation sites, while taking care not to disturb the liquid. This may occur by microwaving water in a very smooth container. Disturbing the water may cause an unsafe eruption of hot water and result in burns.
Себеп
Судың "қайнауы" су буының көпіршіктері шексіз өсіп, бетте жарылып кететінімен сипатталады. Булы көпіршіктің кеңеюі үшін температура жеткілікті жоғары болуы керек, яғни бу қысымы қоршаған орта қысымынан (негізінен атмосфералық қысымнан) асып түсуі керек. Бұл температурадан төмен болса, су буының көпіршігі қысқарып, жоғалады. Қызып кету – бұл қарапайым ережеге ерекшелік; сұйықтың бу қысымы қоршаған орта қысымынан асып кетсе де, кейде қайнамайтыны байқалады. Бұған себеп – қосымша күш, яғни беттік кернеу, ол көпіршіктердің өсуін тежейді. Беттік кернеу көпіршікті серпімді шар сияқты әрекет етуге мәжбүрлейді. Ішкі қысым "қабықшаның" жирылуға тырысуынан сәл көтеріледі. Көпіршіктің кеңеюі үшін температураны қайнау температурасынан сәл жоғары көтеру қажет, осылайша беттік кернеуді де, қоршаған ортаның қысымын да жеңе алатын жеткілікті бу қысымы пайда болады. Қызып кетуді жарылғыш ететін нәрсе – үлкен көпіршікті кішкентайға қарағанда үрлеу оңай; шарды үрлегендегідей, ең қиын бөлігі – бастау. Беттік кернеудің салдарынан туындайтын артық қысым көпіршіктің диаметріне кері пропорционал. Яғни,
Water is said to "boil" when bubbles of water vapor grow without bound, bursting at the surface. For a vapor bubble to expand, the temperature must be high enough that the vapor pressure exceeds the ambient pressure (the atmospheric pressure, primarily). Below that temperature, a water vapor bubble will shrink and vanish. Superheating is an exception to this simple rule; a liquid is sometimes observed not to boil even though its vapor pressure does exceed the ambient pressure. The cause is an additional force, the surface tension, which suppresses the growth of bubbles. Surface tension makes the bubble act like an elastic balloon. The pressure inside is raised slightly by the "skin" attempting to contract. For the bubble to expand, the temperature must be raised slightly above the boiling point to generate enough vapor pressure to overcome both surface tension and ambient pressure. What makes superheating so explosive is that a larger bubble is easier to inflate than a small one; just as when blowing up a balloon, the hardest part is getting started. It turns out the excess pressure due to surface tension is inversely proportional to the diameter of the bubble. That is,
Мұны көпіршікті екіге бөлетін жазықтықты көзге елестету арқылы түсіндіруге болады. Әрбір жартысы беттік кернеу күшімен ортаға қарай тартылады, оны артық қысымнан туындайтын күшпен теңестіру керек. Осылайша біз аламыз, бұл мынаған дейін жеңілдетеді.
Бұл, егер ыдыстағы ең үлкен көпіршіктердің диаметрі бірнеше микрометрге ғана тең болса, беттік кернеуді жеңу үшін үлкен қажеттілігін білдіреді, бұл қайнау температурасынан бірнеше градус Цельсийге асып түсуді талап етеді. Көпіршік өсе бастағанда, беттік кернеу қысымы төмендейді, сондықтан ол оң кері байланыс циклында жарылыспен кеңейеді. Іс жүзінде көптеген ыдыстарда сызаттар немесе басқа да кемшіліктер болады, олар бастапқы көпіршіктерді ұстап тұратын ауа қалталарын құрайды, ал кішкентай бөлшектері бар таза емес су да ауа қалталарын ұстап алады. Тек тазартылған сұйықтықты сақтайтын тегіс ыдыс ғана сенімді түрде қызып кетуге мүмкіндік береді.
This can be derived by imagining a plane cutting a bubble into two halves. Each half is pulled towards the middle with a surface tension force , which must be balanced by the force from excess pressure So we obtain , which simplifies to
This means if the largest bubbles in a container are small, only a few micrometres in diameter, overcoming the surface tension may require a large , requiring exceeding the boiling point by several degrees Celsius. Once a bubble does begin to grow, the surface tension pressure decreases, so it expands explosively in a positive feedback loop. In practice, most containers have scratches or other imperfections which trap pockets of air that provide starting bubbles, and impure water containing small particles can also trap air pockets. Only a smooth container of purified liquid can reliably superheat.
Микротолқынды пеш арқылы пайда болу
Микротолқынды пеште суы бар ыдысты қыздырғанда, судың қатты қызуы мүмкін. Ыдысты алып шыққанда, жаңа ядро пайда болу орындарының жетіспеуі қайнауға кедерілтіп, беті тыныш күйде қалады. Бірақ су қозғалғанда, оның бір бөлігі күрт буға айналып, ыдыстан қайнап тұрған су шашырауы мүмкін. Қайнауды ыдысты сілкіп, араластыру құралын салу арқылы немесе дайын кофе немесе қант сияқты зат қосу арқылы тудыруға болады. Тегіс ыдыстарда қатты қызу ықтималдығы жоғары, себебі сызаттар немесе жарықтар кішкентай ауа қалталарына орын жасайды, олар ядро пайда болу орындары ретінде қызмет етеді. Ыдыс бірнеше рет қыздырылып, салқындатылғаннан кейін, мысалы, ұмытылған кофе тостағаны микротолқынды пештен шығармай қайта қыздырылғанда, қатты қызу жиі кездеседі. Бұл еріткіштен оттегі және азот сияқты еріген газдарды босататын қыздыру циклдарына байланысты. Микротолқынды пеште қатты қызудың алдын алудың жолдары бар, мысалы, ыдысқа металл емес затты (мысалы, араластыру таяғын) алдын ала салу немесе сызылған ыдысты пайдалану. Қауіпті күрт қайнаудан сақтану үшін суды микротолқынды пешке тым ұзақ уақытқа қоймау ұсынылады.
Superheating can occur when an undisturbed container of water is heated in a microwave oven. At the time the container is removed, the lack of nucleation sites prevents boiling, leaving the surface calm. However, once the water is disturbed, some of it violently flashes to steam, potentially spraying boiling water out of the container. The boiling can be triggered by jostling the cup, inserting a stirring device, or adding a substance like instant coffee or sugar. The chance of superheating is greater with smooth containers, because scratches or chips can house small pockets of air, which serve as nucleation points. Superheating is more likely after repeated heating and cooling cycles of an undisturbed container, as when a forgotten coffee cup is re heated without being removed from a microwave oven. This is due to heating cycles releasing dissolved gases such as oxygen and nitrogen from the solvent. There are ways to prevent superheating in a microwave oven, such as putting a non metallic object (such as a stir stick) into the container beforehand or using a scratched container. To avoid a dangerous sudden boiling, it is recommended not to microwave water for an excessive amount of time.
Қолданбалар
Көпіршік камераларында сутекті сұйықтықтың артық қыздырылуы қолданылады.
Superheating of hydrogen liquid is used in bubble chambers.