Перегретая жидкость

Изотермы реального газа (схематично)

Синие — изотермы при температуре ниже критической. Зелёные участки на них — метастабильные состояния.

Участок левее точки F — нормальная жидкость.
Точка F — точка кипения.
Прямая FG — равновесие жидкой и газообразной фазы.
Участок FA — перегретая жидкость.
Участок F′A — растянутая жидкость (p<0).
Участок AC — аналитическое продолжение изотермы, физически невозможен.
Участок CG — переохлаждённый пар.
Точка G — точка росы.
Участок правее точки G — нормальный газ.
Площади фигуры FAB и GCB равны.

Красная — критическая изотерма.
K — критическая точка.

Голубые — сверхкритические изотермы

Перегре́тая (метастаби́льная) жи́дкость — жидкость, нагретая выше температуры кипения. Перегретая жидкость является примером метастабильного состояния, в ряде энергетических и технологических режимов вызывает такие специфические динамические явления, как взрывообразное вскипание за счёт запасённого тепла, неустойчивость поверхности раздела жидкость-пар, формирование фронта фазового перехода.

Существование перегретых (метастабильных) состояний связано с затруднённостью начальной стадии фазового перехода первого рода. Прерывистый характер перехода ($dS\neq 0$, $dv\neq 0$; здесь $S$ — удельная энтропия, $v$ — удельный объём) исключает возможность превращения одновременно во всей массе вещества вблизи равновесия. Фазовый переход начинается в отдельных «точках» однородной системы, эти точки должны удовлетворять условию $R>R_r$ ($R$ — радиус зародыша, $R_r$ — радиус критического зародыша) — тогда рост новой фазы сопровождается убылью термодинамического потенциала.

Характеристикой потенциального барьера, который нужно преодолеть зародышу для достижения критического размера, есть работа образования критического зародыша:

$W=\frac{1}{2}V(P_s-P)\left(1-\frac{v_1}{v_2}\right),$

$V=\frac{4}{3}\pi R_k^3,$

где

• $V$ — объём критического пузырька,
• $R_k$ — радиус критического пузырька,
• $P_s$ — давление пара на линии насыщения (при данной $T$),
• $P$ — давление в жидкости,
• $v_1$ — удельный объём жидкости,
• $v_2$ — удельный объём пара.

$W$ также можно записать через равновесные свойства:

$W=\frac{16\pi D^3}{3(P_s-P)^2\left(1-\dfrac{v_1}{v_2}\right)^2},$

где $D$ — коэффициент поверхностного натяжения.

Примеры

Аргон, атмосферное давление:

• Т_{насыщения} = −186 °C
• Т_{достижимого перегрева} = −142 °C.

Как видно, на опыте достигается перегрев в 44 градуса.

Вода позволяет устойчивый перегрев до 200 °C. Нагретая до 300 °C вода может существовать в жидком состоянии при атмосферном давлении на протяжении времени порядка микросекунд.^[1]

См. также

• Растянутая жидкость

Примечания

1. ↑ «Наука Урала» № 12. Май 2009

Литература

В. Е. Виноградов Исследование вскипания перегретых и растянутых жидкостей (Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук) 43. Институт теплофизики Уральского отделения РАН (2006). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 28 июля 2011.

Ссылки

• Перегретая жидкость на YouTube. В. И. Гервидс. НИЯУ МИФИ (10.03.2011). — Физические демонстрации.  (Проверено 23 июня 2011)