Нагревая жидкость в прозрачной колбе, нетрудно заметить, что пузырьки пара при кипении исходят обычно из некоторых точек на стенке, где есть дефекты поверхности или случайные частицы. Устраните их, сделайте поверхность сосуда идеально гладкой - и жидкость перегреется выше температуры кипения при том же давлении. Перегретая жидкость представляет определенную опасность: при небольшом сотрясении она может бурно вскипеть и выплеснуться из колбы. Именно поэтому в лабораториях обычно на дно стеклянных колб кладут стеклянную или керамическую соломку. На ее поверхности всегда имеются дефекты, инициирующие возникновение микроскопических зародышей, заполненных паром, из которых вырастают пузырьки кипения. При наличии пузырьков жидкость не перегревается выше температуры кипения и остается безопасной для окружающих, поскольку все подводимое тепло расходуется на образование пара. Перегретая жидкость аккумулирует подводимое тепло в виде кинетической энергии теплового движения атомов и молекул. Именно этот избыток энергии, который не может быть слишком большим, выделяется при ее внезапном вскипании.
Эффекта значительного перегрева можно достичь, также концентрируя лучи света внутри объема тщательно очищенной от примесей жидкости вдали от стенок или нагревая небольшой объем жидкости столь быстро, что пузырьки пара не успевают сформироваться на поверхности нагревателя. Так, воду удавалось перегревать свыше температуры кипения (7 = 100° С) до 303 и до 308°С, а некоторыми методами и до 310° С. В перегретом, не вполне устойчивом, как принято называть, метастабильном состоянии вещества весьма чувствительны к внешним воздействиям, что в свое время позволило создать пузырьковые камеры - детекторы заряженных частиц. Заряженные частицы оставляют в метастабильной жидкости треки - следы из множества пузырьков пара, которые в отличие от самих частиц могут быть видны даже невооруженным глазом [1].
В табл. 1 приведены значения температур достижимого перегрева некоторых жидкостей, полученные в результате нагрева тонкой платиновой проволочки коротким импульсом электрического тока (время нагрева составляло около 10"7 с). Такой метод, названный методом теплового зонда, создан в Институте теплофизики РАН в Екатеринбурге. Естественно возникает вопрос: все ли вещества имеют предельную температуру, до которой они могут быть нагреты, сохраняя свой начальный состав и строение, или только летучие жидкости? Проведенные в 80-90-е годы XX века исследования позволили продвинуться в этом вопросе далеко вперед. Однако сначала рассмотрим физические обоснования достижимых перегревов.
Рис. 1
Объяснение природы достижимых перегревов связано с понятием термодинамической устойчивости метастабильного состояния вещества. Проще всего пояснить термодинамическое ограничение на существование вещества в гомогенном (однородном) конденсированном состоянии, пользуясь уравнением его состояния, давлении плавно возрастает, пока мы не достигнем температуры кипения Тщ. При этой температуре упругость (давление) пара становится равной внешнему давлению и жидкость может вскипеть, если имеются центры образования зародышей пара на дефектах поверхности стенки сосуда или примесных частицах. Тогда объем скачком возрастет до своего значения на ветви пара b. При наличии таких центров жидкость не может быть значительно перегрета свыше Тли. Именно поэтому молоко, имеющее большое число микрокапелек жира, не может быть сильно перегрето, и оно вскипает, убегая через край сосуда. На графике справа виден характерный перегиб поверхности К(Т Р), в каждой точке которого производная dV/ dT обращается в бесконечность. Это означает, что бесконечно малому приращению температуры dT соответствует конечное приращение объема V.
Эколого-экономические приоритеты устойчивого развития (на материалах региона Кавказских Минеральных Вод)
Актуальность темы исследования. Природные ресурсы и
природные условия являются основой материального производства и
жизнедеятельности населения. Состояние окружающей среды, качественный уров ...
Экологические проблемы Республики Беларусь
Природа
всесильна. Могущественны ее силы: грозные вулканы и разрушительные ураганы,
наводнения и землетрясения. Одновременно она и уязвима, беззащитна перед
действиями человека. Именно антр ...
Исторический портрет Г.Ф. Гаузе
Научная биография Георгия Францевича Гаузе (1910-1986) просто
удивительна. Он внес выдающийся вклад в самые разные области биологии и
медицины. И в литературе даже бытует мнение, что существ ...