Перегретая жидкость

Перегретая жидкость — это жидкость, находящаяся в метастабильном состоянии, при котором её температура превышает температуру кипения, соответствующую данному внешнему давлению, но при этом не происходит фазового перехода (парообразования). В отличие от обычного кипения, которое начинается при достижении температуры насыщения, перегретая жидкость остаётся в жидкой фазе благодаря отсутствию центров парообразования — микроскопических пузырьков газа или твёрдых частиц, необходимых для зарождения новой фазы (пара).

Физическая природа явления

Термодинамическая основа

Кипение жидкости происходит, когда давление насыщенного пара внутри зарождающегося пузырька становится равным или превышает внешнее давление (атмосферное или гидростатическое). Для образования устойчивого пузырька необходимо преодолеть поверхностное натяжение жидкости — чем меньше радиус пузырька, тем больше требуется избыточного давления пара. В идеально чистой жидкости, лишённой примесей и растворённых газов, образование зародышевых пузырьков (гомогенное зарождение) требует значительного перегрева. Величина этого перегрева обратно пропорциональна радиусу критического зародыша и может достигать десятков и сотен градусов.

Механизмы зарождения пузырьков

Различают два основных механизма зарождения паровой фазы:

• Гомогенное зарождение — образование пузырька в объёме жидкости за счёт флуктуаций плотности. Требует наибольшего перегрева (например, для воды при атмосферном давлении — порядка 270–280 °C, хотя на практике достижимы меньшие значения).
• Гетерогенное зарождение — образование пузырька на твёрдой поверхности (стенки сосуда, взвешенные частицы) или на границе раздела фаз. Наличие микронеровностей, царапин, пылинок, растворённых газов резко снижает необходимый перегрев, так как они служат готовыми центрами парообразования.

Условия получения и устойчивость

Требования к системе

Для получения перегретой жидкости необходимо:

• Высокая степень очистки жидкости от твёрдых примесей, растворённых газов и органических загрязнений.
• Гладкие и смачиваемые стенки сосуда (например, стекло, обработанное плавиковой кислотой, или кварц).
• Отсутствие турбулентности и резких перепадов давления.
• Медленный и равномерный нагрев, чтобы избежать локальных перегревов и вскипания.

Метастабильность и пределы

Перегретая жидкость находится в метастабильном равновесии — любое внешнее воздействие (встряхивание, попадание пылинки, ионизирующее излучение, ультразвук) может спровоцировать мгновенное вскипание, часто взрывного характера. Максимально возможный перегрев ограничен спинодалью — линией на фазовой диаграмме, за которой жидкость теряет устойчивость и переходит в пар без образования пузырьков (спинодальный распад). Для воды при атмосферном давлении спинодаль соответствует температуре около 374 °C (критическая точка воды — 374,1 °C, 22,1 МПа).

История изучения

Ранние наблюдения

Явление перегрева жидкости было известно ещё в XVIII веке. В 1765 году французский физик Жан-Антуан Нолле (аббат Нолле) описал опыт, в котором вода в запаянной стеклянной трубке не закипала при нагреве выше 100 °C, но мгновенно вскипала при встряхивании. В XIX веке немецкий физик Иоганн Георг Гмелин и английский химик Майкл Фарадей независимо изучали перегрев жидкостей в чистых стеклянных сосудах. Фарадей, в частности, показал, что вода в тщательно вымытой и высушенной колбе может быть нагрета до 130–140 °C без кипения.

Научное осмысление

Теоретическое объяснение явления было дано в конце XIX — начале XX века. В 1892 году немецкий физик Фридрих Вильгельм Кольрауш связал перегрев с отсутствием центров парообразования. В 1920-х годах советский физик Пётр Леонидович Капица (впоследствии нобелевский лауреат) провёл серию экспериментов по перегреву жидкого гелия, что позволило изучить его свойства при температурах, близких к абсолютному нулю. В 1930-х годах американский физик Джеймс Клерк Максвелл (теоретически) и советский физик Яков Борисович Зельдович (в рамках теории фазовых переходов) разработали математическую модель гомогенного зарождения пузырьков.

Современный этап

В середине XX века с развитием ядерной физики и техники высоких давлений интерес к перегретым жидкостям возрос. Были созданы пузырьковые камеры — детекторы ионизирующих частиц, работающие на принципе вскипания перегретой жидкости при прохождении заряженной частицы. В 1952 году американский физик Дональд Глазер изобрёл пузырьковую камеру, за что в 1960 году получил Нобелевскую премию. В СССР аналогичные разработки велись под руководством академика Александра Михайловича Балдина.

Классификация перегретых жидкостей

По типу жидкости

• Вода — наиболее изученный случай. В лабораторных условиях удавалось перегреть воду до 270–280 °C при атмосферном давлении (в чистом кварцевом сосуде). В природе перегрев воды возможен в геотермальных источниках под давлением, а также в микроволновых печах (при нагреве в идеально чистой посуде).
• Органические жидкости — этанол, бензол, ацетон, глицерин. Для них характерны меньшие степени перегрева из-за более низкого поверхностного натяжения.
• Криогенные жидкости — жидкий азот, кислород, водород, гелий. Жидкий гелий-4 при атмосферном давлении может быть перегрет до 2,17 К (лямбда-точка), после чего переходит в сверхтекучее состояние, а не в пар.
• Жидкие металлы — ртуть, натрий, калий. Перегрев жидких металлов используется в некоторых типах ядерных реакторов (например, на быстрых нейтронах) для повышения КПД.

По условиям существования

• Статический перегрев — жидкость нагревается медленно в неподвижном состоянии.
• Динамический перегрев — жидкость нагревается в потоке (например, в теплообменниках) или при быстром изменении давления (кавитация, сброс давления).
• Перегрев под давлением — жидкость находится под повышенным давлением, что сдвигает температуру кипения вверх. При резком сбросе давления она может оказаться перегретой относительно нового давления (так называемое «взрывное вскипание»).

Применение

Пузырьковые камеры

Перегретая жидкость является рабочей средой пузырьковых камер — детекторов элементарных частиц. При пролёте заряженной частицы вдоль её траектории образуются ионы, которые служат центрами парообразования. Вскипание происходит мгновенно, и пузырьки фиксируются фотокамерами. Это позволяет регистрировать треки частиц и изучать их свойства. В пузырьковых камерах используются жидкий водород, дейтерий, пропан, ксенон, фреоны. Например, в 1960–1970-х годах в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ, Москва) работала пузырьковая камера «Людмила» на жидком водороде.

Теплотехника и ядерная энергетика

В ядерных реакторах с водяным теплоносителем (ВВЭР, РБМК) возможно локальное перегревание воды в активной зоне, что может привести к кризису теплообмена (переходу от пузырькового кипения к плёночному) и аварийной ситуации. Изучение перегрева необходимо для расчёта запаса до кризиса кипения. В реакторах на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (натрий, свинец) перегрев нехарактерен из-за высокой теплопроводности металлов.

Микроволновый нагрев

В бытовых микроволновых печах часто наблюдается перегрев воды. При нагреве в гладкой стеклянной или керамической посуде без пузырьков воздуха вода может не закипеть даже при 110–120 °C. При извлечении посуды или добавлении ложки (сахара, кофе) происходит резкое вскипание, иногда с выбросом кипятка. Это явление представляет опасность ожогов.

Геотермальные процессы

В недрах Земли вода при высоком давлении может существовать в перегретом состоянии. При подъёме к поверхности и снижении давления (например, в жерле гейзера) происходит взрывное вскипание, выбрасывающее струю пара и воды. Это объясняет цикличность извержений гейзеров (например, в Долине гейзеров на Камчатке).

Химическая технология

В промышленности перегрев жидкостей используется в процессах дистилляции, ректификации, выпаривания. В некоторых аппаратах (например, в плёночных испарителях) жидкость намеренно перегревают для интенсификации парообразования. Однако неконтролируемый перегрев может вызвать взрывное вскипание и разрушение оборудования.

Опасности и критика

Взрывное вскипание

Наиболее опасное следствие перегрева — мгновенное вскипание всего объёма жидкости при случайном внесении центра парообразования. Это может привести к выбросу горячей жидкости, разрыву сосуда (паровой взрыв) и ожогам. В промышленности (например, на химических заводах, в теплоэнергетике) такие аварии известны как «паровые взрывы» или «BLEVE» (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion — взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости). В быту перегрев воды в микроволновой печи — частая причина травм.

Проблемы в экспериментах

При проведении физических экспериментов с перегретыми жидкостями необходимо строго контролировать чистоту и гладкость поверхностей. Малейшее загрязнение или царапина на стенке сосуда могут сделать перегрев невозможным. Это накладывает ограничения на воспроизводимость результатов.

Экологические аспекты

В ядерной энергетике неконтролируемый перегрев теплоносителя (например, в реакторах типа РБМК) может привести к аварии с выбросом радиоактивных веществ. Наиболее известный случай — авария на Чернобыльской АЭС (1986 год), где одним из факторов было локальное перегревание воды в активной зоне с последующим паровым взрывом.

Интересные факты

• В 2012 году группа учёных из Университета Бристоля (Великобритания) смогла перегреть воду до 337 °C при атмосферном давлении, используя микрокапли в вакуумной камере.
• В аквалангах и водолазном снаряжении при быстром всплытии с глубины может произойти «вскипание» крови и тканей (декомпрессионная болезнь) — это аналог перегрева жидкости, вызванный резким снижением давления.
• В космических условиях (невесомость) перегрев жидкостей происходит легче, так как отсутствует конвекция, способствующая перемешиванию и образованию пузырьков.
• В русском языке термин «перегретая жидкость» впервые был введён в научный оборот в 1930-х годах академиком Николаем Николаевичем Семёновым в его работах по теории фазовых переходов.

Источники

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Наука, 1976.
• Зельдович Я. Б. К теории образования новой фазы. Кавитация // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1942. — Т. 12, № 11–12.
• Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. — М.: Наука, 1972.
• Глазер Д. А. Пузырьковая камера // Успехи физических наук. — 1954. — Т. 54, № 1.
• Капица П. Л. Экспериментальное исследование перегрева жидкого гелия // Доклады Академии наук СССР. — 1938. — Т. 18, № 6.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3.