Cosa distingue fondamentalmente la cavitazione e l'ebollizione come fenomeni diversi?

La cavitazione e l'ebollizione sono nomi di fenomeni che coinvolgono entrambi la comparsa improvvisa di bolle di vapore all'interno di un liquido, e in entrambi i casi si verificano quando la pressione idrostatica locale è inferiore alla pressione di vapore del fluido, ma ciò non significa necessariamente che lo siano la stessa cosa.

In questo video di un elemento riscaldante elettrico in acqua , tra l'01: 00 e le 02:00, il suono prodotto dal rapido collasso della bolla diventa sempre più forte ma ci sono poche bolle visibili. Il processo che produce questo suono è considerato ebollizione o cavitazione ? Qual è la distinzione?

Ho lasciato una risposta provvisoria alla domanda correlata su un altro sito SE: in che modo i propellenti sub-raffreddati riducono la cavitazione all'interno delle pompe turbo e facilitano l'alimentazione? Non riuscivo a farmi accettare la risposta a quella domanda che inizia con l'affermazione "la cavitazione sta bollendo".

Sebbene siano correlati, cosa distingue fondamentalmente la cavitazione e l'ebollizione come fenomeni diversi?

Ingegnere meccanico qui, ex nucleare statunitense. La definizione da manuale di cavitazione è, dal mio addestramento nucleare:

"La formazione e il successivo collasso di bolle di vapore quando la pressione di aspirazione scende al di sotto e poi sale al di sopra della pressione di saturazione."

Questa definizione si riferisce alla pressione di aspirazione come in una pompa, ma direi più in generale e apparentemente contro la maggior parte degli altri poster qui che la cavitazione si riferisce più alla formazione e al successivo crollo delle bolle di vapore rispetto al modo in cui si verificano tali bolle di vapore .

Ora capisco che l'effetto di cavitazione generalmente si verifica (o è più discusso quando accade) nelle pompe e nelle eliche, ma succede anche nell'acqua bollente.

Quando fai bollire l'acqua, inizialmente è silenzioso e non ci sono bolle. Ad un certo punto di transizione (ebollizione nucleata), si formano bolle sul fondo della padella, si rompono, ma collassano prima che raggiungano la superficie . Questo tipo di ebollizione (indicato come un sobbollire in termini culinari) può essere correttamente definito cavitazione. Questa è anche una fase molto rumorosa del processo di ebollizione - questo è il periodo "rumoroso" nel video di OP.

Dopo la cavitazione arriva (almeno per la cottura) la fase finale di ebollizione, in cui il fluido sfuso bolle e bolle raggiungono la superficie dell'acqua (allontanamento dall'ebollizione nucleata). Nonostante l'ebollizione appaia più vigorosa, in realtà è molto più silenziosa perché la cavitazione non si verifica più .

La cavitazione è il suono del ping che fa una pentola d'acqua prima di bollire completamente. Una volta ottenuta un'ebollizione completa, le bolle di vapore raggiungono la superficie e la qualità del suono cambia da un rumore metallico a un gorgoglio.

Detto questo, su altri post si è parlato molto dell'ebollizione come applicazione di calore e cavitazione sulla riduzione della pressione. Ancora una volta, la riduzione della pressione (al di sotto della pressione di saturazione) è una causa di cavitazione, ma la riduzione della pressione non è la definizione di cavitazione.

Il termine per creare bolle di vapore riducendo la pressione si chiama distillazione flash o evaporazione flash . Il termine per creare bolle di vapore aumentando il calore si chiama ebollizione .

Il termine cavitazione si riferisce alla formazione e al successivo collasso delle bolle di vapore. La cavitazione si verifica nelle pompe, in una pentola di acqua per spaghetti, in un'elica sottomarina, ecc. Non è limitata a nessuna delle modalità di creazione (pressione o calore). Il video nel post dell'OP mostra la cavitazione durante un processo di ebollizione.

:MODIFICARE:

Mi sono sentito sfidato dal commento di Air a produrre una fonte per la definizione di cavitazione che ho fornito qui. La linea che ho citato sopra è memorizzata da circa 15 anni fa. Ho (su una libreria a casa) una dispensa tecnica condensata di informazioni non classificate che ci sono state date alla conclusione dei corsi di addestramento nucleare per riferimento personale. Nel tentativo di trovare questo manuale online, ho trovato un sito Web di pubblicazioni tecniche che sembra riprodurre alcuni dei contenuti che ci hanno insegnato nel programma di addestramento sull'energia nucleare.

Il primo volume di scienza meccanica ha una sezione sulla cavitazione che afferma

Se la caduta di pressione è abbastanza grande, o se la temperatura è abbastanza alta, la caduta di pressione può essere sufficiente a far lampeggiare il liquido quando la pressione locale scende al di sotto della pressione di saturazione per il fluido pompato. Eventuali bolle di vapore formate dalla caduta di pressione nell'occhio della girante vengono spazzate lungo le palette della girante dal flusso del fluido. Quando le bolle entrano in una regione in cui la pressione locale è maggiore della pressione di saturazione più lontano dalla pala della girante, le bolle di vapore collassano bruscamente. Questo processo di formazione e successivo collasso di bolle di vapore in una pompa è chiamato cavitazione.

(Enfasi aggiunta) La definizione che ci è stato chiesto di memorizzare (come ho citato in alto) è la versione ridotta di questa affermazione per la riproduzione sugli esami.

Ora, non esiste alcuna fonte su questo particolare sito Web , in cui i volumi di riferimento sono suddivisi per sezione, per quanto riguarda l'origine di questo materiale, ma nella parte superiore della pagina è riportato il documento DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Puoi cercare quel numero e trovare il documento pubblicato per intero sul sito web del Dipartimento dell'Energia , dove si trova quel passaggio a pagina 12.

Inoltre, per quanto riguarda il commento su "l'industria che non si avvicina alla linea della Marina degli Stati Uniti", la copia ospitata sul sito web del DOE include una prefazione e una panoramica che affermano che il materiale è stato preparato con il contributo dell'industria nucleare ed è destinato all'uso in formazione operatori nucleari. Quindi, forse alcune industrie non usano la definizione di cavitazione che ho fornito, ma l'industria nucleare lo fa , e sembra (dal commento di Bryon Wall ) che anche l'industria chimica faccia altrettanto.

Penso che si tratti più del linguaggio che della fisica. Il fenomeno fisico di base - il cambiamento di fase da liquido a gas quando la pressione del vapore è uguale alla pressione idrostatica nel fluido - è lo stesso per l'ebollizione e la cavitazione.

Nell'uso comune (non scientifico), "ebollizione" significa riscaldare il liquido fino a quando la sua pressione di vapore è uguale alla pressione interna del fluido. Nella maggior parte dei casi "non scientifici", il riscaldamento viene effettuato a pressione (approssimativamente) costante con un'interfaccia tra il liquido e un gas (ad es. Acqua e aria) e il liquido vaporizzato (vapore) lascia il liquido e si miscela con il gas , trasferendo il calore dal liquido al gas.

D'altro canto, la "cavitazione" è una riduzione locale della pressione nel liquido, a temperatura (approssimativamente) costante. Come con l'ebollizione, parte del liquido vaporizza quando la pressione del liquido è uguale alla pressione del vapore, ma il vapore non può sfuggire da nessuna parte perché il liquido circostante è a una pressione più elevata. Se una bolla di vapore inizia a muoversi attraverso il fluido, raggiunge presto un punto in cui la pressione del fluido è più elevata e ricade in un liquido.

Le improvvise onde di pressione nel liquido, che si creano quando le bolle collassano, possono causare danni ai componenti metallici come eliche, turbine ad acqua, ecc.

La risposta breve è che la cavitazione e l'ebollizione si riferiscono entrambe a un cambiamento di fase da liquido a gas che provoca la formazione di bolle, in cui la cavitazione è guidata da un calo di pressione e l'ebollizione è guidata da un aumento della temperatura. Per una citazione, vedi Cavitazione e dinamica delle bolle , pagina 1:

Un modo approssimativo ma utile per distinguere questi due processi è definire la cavitazione come il processo di nucleazione in un liquido quando la pressione scende al di sotto della pressione del vapore, mentre l'ebollizione è il processo di nucleazione che si verifica quando la temperatura viene innalzata al di sopra del temperatura vapore / liquido saturo. Naturalmente, da un punto di vista fisico di base, c'è poca differenza tra i due processi ... Le differenze tra i due processi si verificano a causa dei diversi fattori complicanti che si verificano in un flusso di cavitazione da un lato e nei gradienti di temperatura d'altra parte effetti di parete che si verificano nell'ebollizione.

Se vuoi sapere come questa distinzione può essere utile, il testo completo di un'edizione precedente del libro è disponibile sul sito web della biblioteca Caltech. Trovare un'edizione più recente in biblioteca non dovrebbe essere difficile, considerando che il lavoro è stato citato quasi 3000 volte secondo Google Scholar.

La lunga risposta inizia osservando che questa citazione non finge di dare le uniche definizioni di cavitazione e ebollizione; propone esplicitamente un modo per definirli come due processi "grezzi ma utili". Mi aspetto che il Dr. Brennen sia d'accordo sul fatto che esistano contesti in cui altre definizioni sono più utili.

In un senso molto generale, "cavitazione" può significare l'aspetto spontaneo di cavità (noto anche come vuoti o bolle) all'interno di un liquido. Se stai cercando in che modo materiali o geometrie superficiali differenti promuovono o sopprimono la nucleazione, questa potrebbe essere una definizione più utile di una che esclude il riscaldamento.

In un senso più restrittivo, "cavitazione" può significare solo quel sottoinsieme del primo che si verifica a temperatura relativamente costante, in presenza di un'interfaccia solida, che in seguito implode e contribuisce all'usura dei componenti meccanici. Se stai costruendo un sistema di propulsione per un sottomarino, questa potrebbe essere una definizione più utile di una delle due precedenti.

La parola "bollente" precede la moderna termodinamica, quindi non dovremmo sorprenderci se è difficile da definire. Generalmente pensiamo che l'ebollizione sia un processo che coinvolge bolle, ma l' ebollizione del film è un'eccezione: chiaramente le persone che ricercano cosa succede quando si applica una tonnellata di calore a un'interfaccia solida / liquida hanno pensato che fosse utile mettere questo fenomeno nella stessa categoria di nucleate bollente.

D'altra parte, si dice anche che i liquidi "bollano" nel vuoto (ed ecco un video di questo , se sei curioso, cerca di capire dove si verifica la nucleazione!). Pensi che la gente alla NASA si preoccupi se l'ebollizione richiede calore quando stanno lavorando per mitigare i rischi associati alla decompressione esplosiva? Io non.

Guadagni molto poco aspettandoti, o dando le aspettative, una terminologia obiettivamente corretta. Se stai facendo un po 'di scrittura tecnica sull'argomento e intendi distinguere tra cavitazione e ebollizione, rendi esplicite le tue definizioni. Fai la tua dovuta diligenza per assicurarti che le tue definizioni non siano una deviazione significativa dal consenso, oppure costruisci un argomento molto forte per sostenerle.

Vedo, come me, che vuoi una risposta semplice. Nel bollitore, l'acqua viene riscaldata fino al punto di ebollizione attorno all'elemento, ma l'acqua circostante non lo è. Il vapore non può esistere a meno di 100 ° C. a pressione atmosferica, quindi quando il vapore entra in contatto con l'acqua più fredda, si condensa immediatamente, senza alcun effetto di ammortizzazione, quindi è come metallo contro metallo.

La cavitazione non deve comportare la vaporizzazione. Un liquido come il fluido idraulico, se l'ingresso della pompa è limitato, si formano bolle di vuoto. Perché non c'è aria in loro per attutire l'impatto, di nuovo, è come il metallo contro il metallo. La pompa suona come se stesse sgranocchiando trucioli di metallo. Anche se è un liquido, ha un impatto sul metallo e affatica le parti metalliche. Si verifica anche se il flusso è su una superficie come il lato di una palla e non c'è abbastanza pressione per mantenerlo seguendo la superficie, oppure scorre fuori dal bordo di una superficie come un'elica. Il liquido viene gettato dalla superficie e forma le bolle di vuoto, quindi collassa senza ammortizzazione, dando un suono metallico scoppiettante ed erodendo i bordi dell'elica. È ancora peggio per i sottomarini. Dice "Eccomi!" al nemico. Puoi dimostrare l'effetto con un tubo da giardino e un secchio d'acqua. Sali su una rampa di scale. rimuovere i raccordi e avvolgere il tubo sul corrimano o tenerlo in profondità nel secchio e iniziare a sifonare l'acqua, quindi sbattere il dito sull'ingresso. Qui troverai una debole crepa metallica dall'interno della parte più alta del tubo mentre l'acqua continua, poi sbatte contro se stessa.

Sono un po 'confuso, se chiedi in relazione alla cavitazione della pompa, allora la mia ans: cavitazione enfatizzata sull'ebollizione inversa (quando il vapore torna al liquido, la bolla che collassa). Questo è quando l'azione distruttiva è stata fatta, l'impingement superficiale. Ecco perché le parti della girante vengono danneggiate è vicino all'uscita.