Введение

Нагрев жидкости до температуры выше точки кипения без кипения

В термодинамике перегрев (иногда называемый запаздыванием кипения) — это явление, при котором жидкость нагревается до температуры, превышающей её точку кипения, без начала кипения. Это так называемое метастабильное состояние, в котором кипение может произойти в любой момент под воздействием внешних или внутренних факторов. Перегрев достигается путем нагрева однородного вещества в чистой ёмкости, свободной от центров зародышеобразования, с соблюдением осторожности, чтобы не потревожить жидкость. Это может произойти, например, при разогреве воды в микроволновой печи в очень гладкой посуде. Потревоженная жидкость может вызвать опасное извержение горячей воды и привести к ожогам.

Причина

Говорят, что вода "кипит", когда пузырьки водяного пара растут неограниченно, достигая поверхности и лопаясь. Чтобы пузырь паров расширился, температура должна быть достаточно высокой, чтобы давление паров превышало давление окружающей среды (прежде всего, атмосферное давление). При температуре ниже этой, пузырь водяного пара будет сжиматься и исчезать. Перегрев – это исключение из этого простого правила: жидкость иногда не кипит, даже если давление её пара превышает давление окружающей среды. Причина заключается в дополнительной силе – поверхностном натяжении, которое подавляет рост пузырьков. Поверхностное натяжение заставляет пузырь вести себя как эластичный шар. Давление внутри немного повышается из-за того, что "плёнка" стремится к сжатию. Для расширения пузыря температура должна быть незначительно выше температуры кипения, чтобы создать достаточное давление пара для преодоления как поверхностного натяжения, так и давления окружающей среды. То, что делает перегрев таким взрывоопасным, заключается в том, что больший пузырь легче надуть, чем маленький – как и при надувании шара, самое сложное – начать. Оказывается, избыточное давление, вызванное поверхностным натяжением, обратно пропорционально диаметру пузыря. Это можно вывести, представив себе плоскость, разрезающую пузырь на две половины. Каждая половина притягивается к центру силой поверхностного натяжения, которая должна быть сбалансирована силой избыточного давления. Таким образом, мы получаем , что упрощается до . Это означает, что если самые большие пузырьки в ёмкости малы – всего несколько микрометров в диаметре – преодоление поверхностного натяжения может потребовать значительного , требуя превышения температуры кипения на несколько градусов Цельсия. Как только пузырь начинает расти, давление поверхностного натяжения уменьшается, поэтому он расширяется взрывообразно в положительной обратной связи. На практике большинство ёмкостей имеют царапины или другие дефекты, которые удерживают воздушные карманы, служащие зародышами пузырьков, а примеси в воде, содержащие мелкие частицы, также могут захватывать воздух. Только гладкая ёмкость с очищенной жидкостью может надёжно подвергаться перегреву.

Происхождение через микроволновую печь

Перегрев может произойти, когда нетронутый контейнер с водой нагревается в микроволновой печи. В момент извлечения контейнера отсутствие центров зародышеобразования препятствует закипанию, оставляя поверхность спокойной. Однако, как только вода потревожена, часть её мгновенно превращается в пар, что может привести к разбрызгиванию кипятка из контейнера. Закипание может быть спровоцировано толчком чашки, помещением в неё мешалки или добавлением вещества, например, растворимого кофе или сахара. Вероятность перегрева выше в гладких контейнерах, поскольку царапины или сколы могут содержать небольшие воздушные карманы, служащие центрами зародышеобразования. Перегрев более вероятен после повторных циклов нагрева и охлаждения нетронутого контейнера, например, когда забытую чашку кофе повторно нагревают, не извлекая её из микроволновой печи. Это связано с тем, что циклы нагрева высвобождают растворенные газы, такие как кислород и азот, из жидкости. Существуют способы предотвратить перегрев в микроволновой печи, например, поместить в контейнер неметаллический предмет (например, палочку для перемешивания) заранее или использовать поцарапанный контейнер. Чтобы избежать опасного внезапного закипания, рекомендуется не нагревать воду в микроволновой печи слишком долго.

Приложения

В пузырьковых камерах используется перегрев жидкого водорода.