Considere un cilindro lleno parcialmente con un líquido (por ejemplo, agua). El cilindro se sella y se mantiene a temperatura ambiente (por ejemplo, 298K). En equilibrio (o cuando no se imparte ninguna perturbación externa al sistema), el líquido en el cilindro existe en equilibrio con su vapor a la presión de vapor del líquido, aplicable a temperatura ambiente.
Suponga que la parte inferior del cilindro está equipada con un pistón. Tenga en cuenta que el sistema todavía está sellado. Ahora imagina que el pistón se mueve hacia arriba. La columna de líquido se mueve hacia arriba, el volumen que ocupa el vapor disminuye, pero el vapor aún existe a la presión de vapor del líquido (suponiendo que el equilibrio termodinámico se puede lograr lo suficientemente rápido).
Lo interesante es cuando el pistón se mueve hacia abajo. Si el pistón se mueve a baja velocidad, la columna de líquido debe permanecer "sobre" el pistón (sin ningún "espacio" entre la columna y el pistón). Ahora, si el pistón se mueve hacia abajo lo suficientemente rápido (o cuando la aceleración hacia abajo es lo suficientemente alta), la columna de líquido "dejará" el pistón y se formará un "paquete" de vapor entre el pistón y la columna de líquido. (Refute la afirmación anterior si cree que es incorrecta). ¿Por qué? si la "fricción" entre las paredes del cilindro y la columna de líquido es insignificante, y la columna de líquido ya está en caída libre, ya no hay ningún mecanismo para "tirarla" hacia abajo.
Ahora, imagine que el pistón se mueve hacia arriba nuevamente. Entonces la columna de líquido "chocará" con el pistón. ¿Se "pegará" al pistón, como en una colisión inelástica, o retrocederá, como en una colisión elástica?
PD Después de pensar un rato, creo que no es una pregunta fácil de responder. Ahora bien, si el líquido "retrocederá" (no "salpicará", lo que implica que el líquido cambia de forma) depende de cómo se transfiera el impulso del pistón a la columna de líquido. Consulte el video de YouTube para ver el "truco de la botella de cerveza". Si la cavidad formada en el fondo es un "vacío", lo que probablemente sea el caso, entonces cuando el líquido "retroceda", la presión atmosférica presionará la columna de líquido y lo más probable es que no "retroceda". Por otro lado, si la cavidad formada está llena de gas, entonces la energía cinética del líquido (que está tratando de "golpear" contra la botella de vidrio) puede disiparse hacia el gas (en la cavidad original llena de gas). , a través de la formación de muchas pequeñas cavitaciones (afirmación: la última afirmación no es sólida; solo estoy suponiendo). Mientras el impacto esté "amortiguado", no se producirá un retroceso.
De hecho, hay muchas formas en que un líquido puede disipar energía, porque no tiene forma/forma y hay viscosidad en la imagen. Cuanto más "flexible" es a la disipación de energía, menos probable es que retroceda.
Su pregunta es algo más "general" de lo que está implícito. Básicamente, está hablando de cavitación (o está muy cerca de hablar de eso). La cavitación no requiere que las babosas de líquido viajen hacia abajo. De hecho, hay imágenes en Internet que muestran diseños de hélices de barcos en los que los ingenieros no tuvieron en cuenta la caída de presión en el lado aguas abajo de la hélice. Si la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido, el líquido "ebulle" en un intervalo de tiempo muy corto, y cuando la presión aumenta sustancialmente, las pequeñas burbujas de vapor asociadas colapsan instantáneamente. Cuando ocurre el colapso, la temperatura de la burbuja de vapor aumenta drásticamente y se forma una onda de choque muy pequeña. Si este colapso ocurre en la superficie del metal, la onda de choque removerá pequeños pedazos de metal.
Si se pregunta qué tan alta puede llegar a ser la temperatura de la burbuja, hay experimentos en los que se usa el ultrasonido para crear deliberadamente cavitación en líquidos a granel. Cuando las burbujas colapsan, la temperatura aumenta lo suficiente como para emitir un destello de luz muy pequeño, y el proceso se llama sonoluminiscencia. Las mediciones indican que las temperaturas que producen este pequeño destello de luz son más altas que la temperatura en la superficie del sol, por lo que si bien el proceso dentro de una de estas burbujas es extremadamente pequeño, también es extremadamente violento.
Debido a las fuerzas gravitatorias, el líquido se encuentra en el fondo de ambas fases.
Un gradiente de presión, debido a que existen fuerzas en ambas fases; la presión aumenta linealmente a través del fluido bot, con una rampa discontinua en la interfase líquido/gas.
Entonces, si empuja hacia abajo el pistón, al aumentar el volumen modificará el punto de equilibrio y, por lo tanto, disminuirá la presión de equilibrio. La única manera de crear un volumen extra de gas es mediante la cavitación del fluido, que solo puede ocurrir en el punto de presión mínima del líquido, es decir, la interfaz fluido/gas. Entonces, creo que en realidad no puede crear algún tipo de "brecha" entre el pistón y el líquido, en la medida en que la velocidad de su pistón sea más baja que la velocidad del sonido (la información de presión será más rápida que el pistón y así creará evaporación en el interfaz para equilibrar la modificación del volumen).
Si su pistón es más rápido que la velocidad del sonido sobre agua líquida (¿en serio?), Creo que en realidad puede crear una dilatación local y burbujas en el fondo del fluido. Esta evolución no estacionaria es ciertamente muy difícil de modelar.
Carlos Witthoft
Jaime
Jaime