Кинетика кипения воды в поле силы тяжести

Е. В. Николаева

Кипение представляет собой переход жидкости в пар, характеризующийся непрерывным образованием и ростом в жидкой фазе пузырьков насыщенного пара, внутрь которых происходит испарение жидкости [1].

Рассмотрим детально кипение воды, обратив особое внимание на роль растворенного в воде газа (воздуха) и наличие гравитации. При нагревании воды, растворенный в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки (ВП). В эти же пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный насыщенным паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться и превращается в пузырек пара (ПП). Достигнув определенных размеров, ПП отрывается от дна, поднимается к поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то ПП, поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Возникающие при этом колебания воды приводят к появлению во всем объеме воды огромного количества мелких пузырьков воздуха: так называемый "белый ключ". Можно выделить основные стадии эволюции пузырьков при кипении:

появление и рост ВП на дне сосуда (у нагреваемой поверхности), превращение их в ПП и отрыв от дна;

подъем ПП в объеме воды и исчезновение на поверхности или в объеме;

появление ВП в объеме воды ("белый ключ") и подъем их к поверхности.

Эволюция воздушных и паровых пузырьков на дне сосуда

Рассмотрим кипение воды в плоскодонном сосуде при атмосферном давлении. Пусть дно сосуда нагревается равномерно и существует вертикальный температурный градиент. В исходном состоянии вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды ВП начинают появляться задолго до кипения. Они могут образовываться на дне и стенках сосуда (играя существенную роль в кипении) или в объеме при наличии полостей в воде, создаваемых внешними воздействиями.

Рис.1: Форма воздушных пузырьков, образующихся в объеме и на дне сосуда

С увеличением температуры растворимость газа в воде уменьшается [3] и воздух может выделяться в виде пузырьков при выполнении условия:

Dp і p = p0 + rв g(H - h) +2s/r, (1)

где Dp - избыточное давление растворенного газа, p - давление на поверхность пузырька, p0 - внешнее давление, rв - плотность воды, g - ускорение свободного падения, H - высота воды в сосуде, h - высота подъема пузырька, 2s/r - капиллярное давление, s - коэффициент поверхностного натяжения, r - радиус пузырька. Пузырьку легче образоваться на стенках и дне сосуда, чем в объеме, так как для равного объема (рис.1) в первом случае критическое Dp значительно меньше. На воздушный пузырек объемом V на дне сосуда действует подъемная сила:

Fпод = FA - FT = Vg(rв-rг) , (2)

где FA - сила Архимеда, FT - сила тяжести, rг - плотность газа.

Если пренебречь плотностью газа, то:

Fпод = V g rв. (3)

Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю поверхность силы давления не действуют. При малой высоте сосуда величина прижимающей силы Fпр для пузырька радиусом больше 0,1 мм определяется внешним давлением:

Fпр = p0 S = pp0 r2осн, (4)

где S - площадь соприкосновения пузырька с дном, rосн - радиус основания пузырька. Размеры пузырька определяются объемом газа, пока давление насыщенного пара в нем меньше p. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей [2]:

Vgrв > pp0 r2осн. (5)

Радиус пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы.

Форма пузырьков

Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда [3]. При хорошей смачиваемости пузырек представляет собой усеченный шар, радиус которого много больше радиуса его несмоченного основания (рис.2).

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: налоги в россии, реферат по физике.





1  2  3  4 | Следующая страница реферата