Взрывное кипение или фазовый взрыв

В термодинамике, взрывное кипение или фазовый взрыв - это метод, при котором перегретая метастабильная жидкость претерпевает взрывной фазовый переход жидкость-пар в стабильное двухфазное состояние, потому что массивного гомогенного зарождения пузырьков пара. Эта концепция была впервые предложена М.М. Мартынюком в 1976 году, а затем развита Фуке и Сейделом.

На этом рисунке показаны бинодаль и спинодаль, а красная кривая показывает типичный цикл нагрева, это показывает концепцию взрывное кипение.

Взрывное кипение лучше всего описывается фазовой диаграммой pT. На рисунке справа показана типичная p-T фазовая диаграмма вещества. Линия бинодали или кривая сосуществования - это термодинамическое состояние, в котором при данной температуре и давлении жидкость и пар могут сосуществовать. Линия спинодали справа - граница абсолютной неустойчивости раствора к распаду на несколько фаз. Типичный процесс нагрева показан красными чернилами.

Если процесс нагрева относительно медленный, у жидкости есть достаточно времени, чтобы расслабиться до состояния равновесия, и жидкость следует бинодальной кривой, соотношение Клаузиуса – Клапейрона все еще действует. В течение этого времени в веществе происходит гетерогенное испарение с зарождающимися пузырьками с примесных участков, поверхностей, границ зерен и т. Д.

На этом рисунке показано изменение термодинамических свойств вблизи критической точки

С другой стороны, если процесс нагрева достаточно быстро, чтобы вещество не могло достичь бинодальной кривой из-за гетерогенного кипения, жидкость становится перегретой с ее температурой выше точки кипения при заданном давлении. Затем система уходит от бинодали и продолжает следовать красной кривой, приближаясь к спинодали. Вблизи критической температуры термодинамических свойств, таких как удельная теплоемкость, плотность быстро меняется, как показано на рисунке справа. Плотность и энтропия претерпевают наибольшие колебания. В течение этого времени в очень небольшом объеме возможны большие колебания плотности. Это колебание плотности приводит к зарождению пузыря. Процесс зарождения пузырьков происходит равномерно во всем веществе. Скорость зарождения пузырьков и скорость роста паровой сферы экспоненциально возрастают ближе к критической температуре. Увеличение зародышеобразования не позволяет системе перейти к спинодали. Когда радиус пузыря достигает критического размера, он продолжает расширяться и в конечном итоге взрывается, образуя смесь газа и капель, что называется взрывным кипением или фазовым взрывом.

Вначале взрывное кипение использовалось Мартынюком для расчета критической температуры металлов. Он использовал электрическое сопротивление, чтобы нагреть металлическую проволоку. Позже было обнаружено взрывное вскипание при использовании сверхбыстрой фемтосекундной лазерной абляции. Хотя такого рода взрывное кипение должно происходить по любому механизму, при котором температура жидкости быстро повышается до критической температуры вещества.