Was unterscheidet Kavitation und Kochen grundlegend als unterschiedliche Phänomene?

Kavitation und Kochen sind Bezeichnungen für Phänomene, bei denen plötzlich Dampfblasen in einer Flüssigkeit auftreten. In beiden Fällen treten sie auf, wenn der lokale hydrostatische Druck niedriger als der Dampfdruck der Flüssigkeit ist. Dies bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass dies der Fall ist das gleiche.

In diesem Video eines elektrischen Heizelements in Wasser wird zwischen 01:00 und 02:00 Uhr der Ton, der durch das schnelle Zusammenfallen der Blasen erzeugt wird, immer lauter, aber es gibt nur wenige sichtbare Blasen. Wird der Prozess, der dieses Geräusch erzeugt, als Kochen oder Kavitation betrachtet ? Was ist der Unterschied?

Ich habe eine vorläufige Antwort auf die entsprechende Frage auf einer anderen SE-Website hinterlassen : Wie (tatsächlich) reduzieren unterkühlte Treibmittel die Kavitation in Turbopumpen und erleichtern die Zufuhr? Ich konnte mich nicht dazu bringen, die Antwort auf diese Frage zu akzeptieren, die mit der Behauptung beginnt: "Kavitation kocht."

Was unterscheidet Kavitation und Kochen grundsätzlich als unterschiedliche Phänomene, obwohl sie verwandt sind ?

Maschinenbauingenieur hier, ehemaliger US Navy Nuke. Die Lehrbuchdefinition von Kavitation stammt aus meiner nuklearen Ausbildung:

"Die Bildung und das anschließende Zusammenfallen von Dampfblasen, wenn der Saugdruck unter und dann über den Sättigungsdruck steigt."

Diese Definition bezieht sich auf den Saugdruck wie bei einer Pumpe, aber ich würde allgemeiner und anscheinend gegenüber den meisten anderen Postern hier sagen, dass Kavitation sich mehr auf die Bildung und das anschließende Zusammenfallen von Dampfblasen bezieht als auf das Auftreten dieser Dampfblasen .

Jetzt verstehe ich, dass der Kavitationseffekt im Allgemeinen in Pumpen und Propellern auftritt (oder am meisten diskutiert wird, wenn er auftritt), aber auch in kochendem Wasser.

Wenn Sie Wasser zum Kochen bringen, ist es zunächst ruhig und es gibt keine Blasen. An einem Übergangspunkt (Keimen der Keime) bilden sich Blasen am Boden der Pfanne, brechen ab, kollabieren jedoch, bevor sie die Oberfläche erreichen . Diese Art des Kochens (kulinarisch als köcheln bezeichnet) kann korrekterweise als Kavitation bezeichnet werden. Dies ist auch eine sehr verrauschte Phase im Siedevorgang - dies ist die "verrauschte" Periode in OPs Video.

Nach der Kavitation kommt (zumindest zum Kochen) die letzte Siedephase, in der die Schüttflüssigkeit kocht und Blasen die Wasseroberfläche erreichen (Abweichung vom Sieden der Keime). Obwohl das Kochen kräftiger zu sein scheint, ist dies tatsächlich viel leiser, da keine Kavitation mehr auftritt .

Kavitation ist das Ping-Geräusch, das ein Topf Wasser vor dem Kochen macht. Sobald ein vollständiges Kochen erreicht ist, erreichen Dampfblasen die Oberfläche und die Klangqualität ändert sich von einem Ping zu einem eher Gurgeln.

Trotzdem wurde in anderen Beiträgen viel darüber gesprochen, dass Kochen die Anwendung von Wärme und Kavitation die Druckreduzierung ist. Auch hier ist die Druckreduzierung (unter den Sättigungsdruck) eine Ursache für Kavitation, aber die Druckreduzierung ist nicht die Definition von Kavitation.

Der Begriff zur Erzeugung von Dampfblasen durch Druckreduzierung wird als Flash-Destillation oder Flash-Verdampfung bezeichnet . Der Begriff zur Erzeugung von Dampfblasen durch Erhöhen der Wärme wird als Kochen bezeichnet .

Der Begriff Kavitation bezieht sich auf die Bildung und das anschließende Zusammenfallen der Dampfblasen. Kavitation tritt in Pumpen, in einem Topf mit Spaghetti-Wasser, in einem U-Boot-Propeller usw. auf. Sie ist nicht auf die Erzeugungsart (Druck oder Hitze) beschränkt. Das Video in OPs Beitrag zeigt Kavitation während eines Kochvorgangs.

:BEARBEITEN:

Ich fühlte mich durch den Kommentar von Air herausgefordert , eine Quelle für die Definition von Kavitation zu erstellen, die ich hier zur Verfügung stellte. Die Zeile, die ich oben zitiert habe, wurde vor ungefähr 15 Jahren auswendig gelernt. Ich habe (in einem Bücherregal zu Hause) ein komprimiertes technisches Handout mit nicht klassifizierten Informationen, die wir zum Abschluss der Nuklearschulungen als persönliche Referenz erhalten haben. Bei dem Versuch, dieses Handbuch online zu finden, habe ich eine Website für technische Veröffentlichungen gefunden , die einige der Inhalte wiedergibt, die uns im Rahmen des Trainingsprogramms für Kernenergie beigebracht wurden.

Der erste Band der mechanischen Wissenschaft enthält einen Abschnitt über Kavitation , in dem es heißt:

Wenn der Druckabfall groß genug ist oder wenn die Temperatur hoch genug ist, kann der Druckabfall ausreichen, um zu bewirken, dass die Flüssigkeit zu Dampf aufblitzt, wenn der lokale Druck unter den Sättigungsdruck für das zu pumpende Fluid fällt. Durch den Druckabfall am Auge des Laufrads gebildete Dampfblasen werden durch den Fluidstrom entlang der Laufradschaufeln gespült. Wenn die Blasen in einen Bereich eintreten, in dem der lokale Druck größer als der Sättigungsdruck weiter außerhalb der Laufradschaufel ist, kollabieren die Dampfblasen abrupt. Dieser Prozess der Bildung und des anschließenden Zusammenbruchs von Dampfblasen in einer Pumpe wird als Kavitation bezeichnet.

(Hervorhebung hinzugefügt) Die Definition, die wir auswendig lernen sollten (wie ich oben zitiert habe), ist die komprimierte Version dieser Aussage zur Reproduktion bei Prüfungen.

Jetzt gibt es auf dieser speziellen Website keine Quelle , in der die Referenzbände nach Abschnitten aufgeschlüsselt sind, woher dieses Material stammt. Oben auf der Seite befindet sich jedoch das DOE-Dokument "DOE-HDBK-1018/1".

Sie können diese Nummer nachschlagen und das Dokument vollständig auf der Website des Energieministeriums finden , wo diese Passage auf Seite 12 zu finden ist.

In Bezug auf den Kommentar zu "Industrie, die nicht der Linie der US-Marine entspricht" enthält die auf der DOE-Website gehostete Kopie ein Vorwort und eine Übersicht, aus der hervorgeht, dass das Material mit Beiträgen der Nuklearindustrie erstellt wurde und für die Verwendung in Schulungen vorgesehen ist Nuklearbetreiber. Also, vielleicht einige Branchen nutzen nicht die Definition von Kavitation I zur Verfügung gestellt haben, aber die Atomindustrie tut , und es scheint , wie (von Bryon Wall Kommentar ) , dass die chemische Industrie als auch der Fall ist.

Ich denke, hier geht es mehr um Sprache als um Physik. Das grundlegende physikalische Phänomen - der Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas, wenn der Dampfdruck dem hydrostatischen Druck in der Flüssigkeit entspricht - ist beim Kochen und Kavitieren dasselbe.

Im allgemeinen (nicht wissenschaftlichen) Gebrauch bedeutet "Kochen" das Erhitzen der Flüssigkeit, bis ihr Dampfdruck gleich dem Innendruck der Flüssigkeit ist. In den meisten "nicht wissenschaftlichen" Fällen erfolgt das Erhitzen bei (ungefähr) konstantem Druck mit einer Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und einem Gas (z. B. Wasser und Luft), und die verdampfte Flüssigkeit (Dampf) verlässt die Flüssigkeit und mischt sich mit dem Gas Übertragen von Wärme von der Flüssigkeit auf das Gas.

Andererseits ist "Kavitation" eine lokale Verringerung des Drucks in der Flüssigkeit bei (ungefähr) konstanter Temperatur. Wie beim Kochen verdampft ein Teil der Flüssigkeit, wenn der Flüssigkeitsdruck dem Dampfdruck entspricht, aber der Dampf kann nirgendwo entweichen, da die umgebende Flüssigkeit einen höheren Druck aufweist. Wenn sich eine Dampfblase durch die Flüssigkeit bewegt, erreicht sie bald einen Punkt, an dem der Flüssigkeitsdruck höher ist, und fällt in eine Flüssigkeit zurück.

Die plötzlichen Druckwellen in der Flüssigkeit, die beim Zusammenfallen der Blasen entstehen, können Metallkomponenten wie Propeller, Wasserturbinen usw. beschädigen.

Die kurze Antwort lautet, dass Kavitation und Kochen sich beide auf einen Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas beziehen, bei dem sich Blasen bilden, wobei Kavitation durch einen Druckabfall und Kochen durch einen Temperaturanstieg angetrieben wird . Ein Zitat finden Sie unter Kavitation und Blasendynamik , Seite 1:

Eine grobe, aber nützliche Methode zur Unterscheidung dieser beiden Prozesse besteht darin, Kavitation als den Prozess der Keimbildung in einer Flüssigkeit zu definieren, wenn der Druck unter den Dampfdruck fällt, während das Kochen der Prozess der Keimbildung ist, der auftritt, wenn die Temperatur über den Wert angehoben wird gesättigte Dampf- / Flüssigkeitstemperatur. Natürlich gibt es aus physikalischer Sicht kaum Unterschiede zwischen den beiden Prozessen ... Die Unterschiede zwischen den beiden Prozessen treten aufgrund der unterschiedlichen Komplikationsfaktoren auf, die einerseits in einer kavitierenden Strömung und einerseits in den Temperaturgradienten auftreten und Wandeffekte, die andererseits beim Kochen auftreten.

Wenn Sie wissen möchten, wie diese Unterscheidung nützlich sein kann, finden Sie den vollständigen Text einer älteren Ausgabe des Buches auf der Website der Caltech-Bibliothek. Es sollte nicht schwierig sein, eine neuere Ausgabe in der Bibliothek zu finden, da die Arbeit laut Google Scholar fast 3.000 Mal zitiert wurde.

Die lange Antwort beginnt mit der Feststellung, dass dieses Zitat nicht vorgibt, die einzigen Definitionen von Kavitation und Kochen zu geben. Es wird ausdrücklich eine Möglichkeit vorgeschlagen , sie als zwei Prozesse zu definieren, die "grob, aber nützlich" sind. Ich gehe davon aus, dass Dr. Brennen zustimmen würde, dass es Kontexte gibt, in denen andere Definitionen nützlicher sind.

In einem sehr allgemeinen Sinne kann "Kavitation" das spontane Auftreten von Hohlräumen (auch als Hohlräume oder Blasen bezeichnet) in einer Flüssigkeit bedeuten. Wenn Sie untersuchen, wie unterschiedliche Materialien oder Oberflächengeometrien die Keimbildung fördern oder unterdrücken, ist dies für Sie möglicherweise eine nützlichere Definition als eine, die das Erhitzen ausschließt.

In einem restriktiveren Sinne kann "Kavitation" nur die Teilmenge der ersteren bedeuten, die bei relativ konstanter Temperatur in Gegenwart einer festen Grenzfläche auftritt, die später implodiert und zum Verschleiß mechanischer Komponenten beiträgt. Wenn Sie ein Antriebssystem für ein U-Boot bauen, ist dies möglicherweise eine nützlichere Definition als die beiden vorherigen.

Das Wort "Kochen" stammt aus der Zeit vor der modernen Thermodynamik, daher sollten wir uns nicht wundern, wenn es schwierig ist, dies zu bestimmen. Wir denken normalerweise an das Kochen als einen Prozess, bei dem Blasen auftreten, aber das Kochen von Filmen ist eine Ausnahme - die Leute, die untersuchen, was passiert, wenn Sie eine Tonne Wärme an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche anwenden, hielten es für nützlich, dieses Phänomen in dieselbe Kategorie wie Keime einzuteilen Sieden.

Andererseits sollen Flüssigkeiten auch im Vakuum "kochen" (und hier ist ein Video davon , wenn Sie neugierig sind - versuchen Sie herauszufinden, wo die Keimbildung auftritt!). Denken Sie, die Leute bei der NASA kümmern sich darum, ob das Kochen Wärme erfordert, wenn sie daran arbeiten, die mit der explosiven Dekompression verbundenen Risiken zu mindern? Ich nicht.

Sie gewinnen sehr wenig, wenn Sie eine objektiv korrekte Terminologie erwarten oder erwarten. Wenn Sie technische Arbeiten zu diesem Thema durchführen und zwischen Kavitation und Kochen unterscheiden möchten, geben Sie einfach Ihre Definitionen an. Führen Sie Ihre Due Diligence durch, um sicherzustellen, dass Ihre Definitionen keine wesentliche Abweichung vom Konsens darstellen, oder bauen Sie ein sehr starkes Argument auf, um sie zu unterstützen.

Ich sehe, wie ich, Sie wollen eine einfache Antwort. Im Wasserkocher wird das Wasser um das Element herum auf Siedepunkt erhitzt, das umgebende Wasser jedoch nicht. Dampf kann bei atmosphärischem Druck nicht unter 100 ° C existieren. Wenn der Dampf das kühlere Wasser berührt, kondensiert er sofort und hinterlässt keinen Dämpfungseffekt. Es ist also wie Metall gegen Metall.

Kavitation muss keine Verdampfung beinhalten. Bei einer Flüssigkeit wie Hydraulikflüssigkeit bilden sich Vakuumblasen, wenn der Pumpeneinlass eingeschränkt ist. Da sie keine Luft enthalten, um den Aufprall abzufedern, ist es wieder wie Metall gegen Metall. Die Pumpe klingt wie knirschende Metallspäne. Obwohl es eine Flüssigkeit ist, wirkt es wie Metall und ermüdet Metallteile. Es tritt auch auf, wenn die Strömung über eine Oberfläche wie die Seite einer Kugel verläuft und nicht genügend Druck vorhanden ist, um sie der Oberfläche zu folgen, oder wenn sie wie ein Propeller von der Kante einer Oberfläche abfließt. Die Flüssigkeit wird von der Oberfläche geworfen und es bilden sich Vakuumblasen, die dann ohne Polsterung zusammenfallen, ein metallisches Knistern erzeugen und die Propellerkanten erodieren. Für U-Boote ist es noch schlimmer. Es heißt "Hier bin ich!" zum Feind. Sie können den Effekt mit einem Gartenschlauch und einem Eimer Wasser demonstrieren. Nehmen Sie es eine Treppe hinauf. Entfernen Sie die Armaturen und drapieren Sie den Schlauch über den Handlauf oder halten Sie ihn tief in den Eimer und beginnen Sie, das Wasser zu syphonieren. Führen Sie dann Ihren Finger über den Einlass. Sie werden hier einen schwachen metallischen Riss aus dem höchsten Teil des Schlauchs heraus sehen, während das Wasser weiter fließt, und dann gegen sich selbst zurückschlagen.

Ich bin ein wenig verwirrt, wenn Sie in Bezug auf die Pumpenkavitation fragen, dann meine ans: Kavitation betont das Rückwärtssieden (wenn Dampf zurück zu Flüssigkeit, die kollabierende Blase). Das ist, wenn zerstörerische Maßnahmen durchgeführt werden, Oberflächenaufprall. Deshalb werden Laufradteile in der Nähe des Ausgangs beschädigt.