Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости
В невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако, как обнаружили французские физики, вибрация жидкости может привести к резкому ее вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии.
|
Каждый из нас не раз наблюдал фазовый переход жидкости в газ под действием высокой температуры, т. е., проще говоря, процесс кипения. Пузырьки пара, отрываясь от источника тепла, устремляются вверх, а на их место поступает новая порция жидкости. В результате кипение сопровождается активным перемешиванием жидкости, что многократно увеличивает скорость ее превращения в пар. (Очень рекомендую к прочтению главу Пузыри в жидкости из книги Я. Е. Гегузина «Пузыри».)
Ключевую роль в этом бурном процессе играет сила Архимеда, действующая на пузырек, которая, в свою очередь, существует благодаря силе тяжести. В условиях же невесомости нет веса, нет понятия «тяжелее» и «легче», и потому пузырьки нагретого пара не будут никуда всплывать. Вокруг нагревательного элемента образуется прослойка пара, которая препятствует передаче тепла всему объему жидкости. По этой причине кипение жидкостей в невесомости (но при том же давлении, а вовсе не в вакууме!) будет протекать совершенно иначе, чем на Земле. Детальное понимание этого процесса крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива.
Чтобы разобраться в этом процессе, очень важно понять, какие физические явления могут ускорять кипение в невесомости. В недавней статье французских физиков D. Beysens et al., Physical Review Letters, 95, 034502 (14 July 2005) описываются результаты экспериментального исследования того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения.
В качестве рабочего вещества исследователи выбрали жидкий водород — самое легкое ракетное топливо. Состояние невесомости создавалось искусственно, с помощью сильного неоднородного магнитного поля, которое как раз компенсировало силу тяжести (про магнитную левитацию читайте в нашей заметке Магнитная сверхпроводимость: левитация в жидком кислороде). Температура и давление образца были подобраны так, чтобы фазовый переход происходил как можно медленнее и можно было бы заметить все его особенности.
Основной результат экспериментов французских физиков состоит в том, что в условиях невесомости вибрация ускоряет превращение жидкости в пар. Под действием вибрации внутри слегка перегретой жидкости появляется «объемная рябь»: сеть мелких, размером доли миллиметра, пузырьков пара в жидкости. Вначале эти пузырьки растут медленно, но спустя 1-2 секунды от начала воздействия весь процесс резко убыстряется: жидкость в буквальном смысле слова вскипает.
Как утверждают авторы, есть две причины такого поведения. Во-первых, пока пузырьки пара мелкие, вязкость жидкости как бы «держит» их на месте, не дает им быстро сближаться. Для крупных же пузырьков вязкость отходит на второй план, и их слияние и дальнейший рост становится интенсивнее. Вторая причина кроется в самой сути математических законов, управляющих движением жидкостей. Эти законы нелинейны, а значит, внешние вибрации не только заставляют жидкость «мелко трястись», но и порождают в ней крупномасштабные течения. Именно эти течения, разогнавшись, эффективно перемешивают рабочий объем и приводят к убыстрению процесса.
Авторы работы подчеркивают, что обнаруженное ими явление имеет не только прикладной, но и чисто научный интерес. В их экспериментах сложные гидродинамические течения, сопровождающие эволюцию сети пузырьков, идут параллельно с самим фазовым переходом. Оба этих явления поддерживают и усиливают друг друга, приводя к крайней нестабильности жидкости даже в невесомости.
Игорь Иванов
