¿Por qué las burbujas de vapor aumentan de tamaño a medida que suben?

En el siguiente video (revisión de un cliente de una tetera de vidrio), podemos observar el agua hirviendo: http://youtu.be/jByY5I7Xk7w?t=2m55s

Cuando el hervidor comienza a hervir alrededor de las 2:55, podemos ver que se forman grandes burbujas de vapor en la parte inferior, donde está el elemento calefactor, y estas burbujas se encogen a medida que suben. Presumiblemente esto se debe a que están entrando en contacto con agua más fría. Luego obtenemos una corriente de convección loca por un momento antes de que el elemento se apague nuevamente.

Después de que el movimiento caótico se ha calmado (y el fluido presumiblemente está muy bien mezclado) vemos que se forman pequeñas burbujas de vapor en el fondo, que crecen a medida que suben. Puedo pensar en dos posibles explicaciones para esto, y tengo curiosidad por saber cuál es la correcta:

  1. El agua está sobrecalentada. Los sitios de nucleación existen en el fondo de la tetera, por lo que es donde se forman las burbujas de vapor. El vapor se produce en la interfaz entre el vapor y el agua, lo que hace que las burbujas crezcan a medida que ascienden.

  2. La presión en la parte inferior es ligeramente mayor que en la parte superior. Suponiendo una profundidad de 15 cm, el punto de ebullición en el fondo del agua es aproximadamente 100.3 ∘ C , en comparación con 100.0 ∘ C en la cima. Se forman burbujas en la parte inferior porque el elemento calefactor todavía está un poco más caliente que 100.3 ∘ C , y a medida que suben, arrastran agua caliente hacia el área de presión ligeramente más baja, donde se convierte en vapor porque su punto de ebullición baja, y esto aumenta el tamaño de la burbuja.

En particular, me interesa saber si la segunda de estas explicaciones juega un papel. Si no sucede en una tetera hirviendo, ¿hay alguna situación en la que suceda?

¿Por qué rechazó la explicación más simple: que a medida que las burbujas suben, la presión circundante disminuye y simplemente se expanden ( V = norte k b T PAG ) sin transferencia de masa o energía?
@yohBS simplemente porque el cambio de presión es de solo 1,5 Pa, en comparación con la presión ambiental de 100 Pa, por lo que el cambio de volumen debido a ese efecto podría ser solo un par de por ciento como máximo: la cantidad de expansión visible en el video es mucho más que eso.
Hay momentos en que las burbujas que se elevan en el agua hirviendo se encogerían. ¿Puedes pensar por qué?
@JohnBerryman Mencioné la reducción de burbujas en la pregunta; en este caso, estoy bastante seguro de que se debe a que antes de que se mezcle, el agua en la parte superior está más fría. (Lo mismo sucede en los tubos de burbujas de las viejas máquinas de discos, que contienen agua a baja presión, con un elemento calefactor en la parte inferior.) ¿O estás pensando en alguna otra situación?

Respuestas (1)

La discusión de los sitios de nucleación va muy al grano. El agua a presión atmosférica sin sitios de nucleación teóricamente hervirá solo a 320.7 o C . Las burbujas actúan como sitios de nucleación que reducen la energía requerida para la evaporación. En el caso de una burbuja, el ángulo de contacto efectivo entre el líquido sobrecalentado y la superficie de la burbuja es 180 o que reduce el sobrecalentamiento necesario para evaporar el agua a 0 . Curiosamente, en realidad existe un impedimento para el crecimiento de la burbuja causado por la temperatura reducida del vapor dentro de la burbuja y una capa límite de líquido que la rodea con un sobrecalentamiento inferior correspondiente.

FYI: Mi información se basa en las páginas 138 y 549 de Collier y Thome .

En ese texto, se da una ecuación para la tasa de crecimiento de la burbuja como:

R = 12 α F π ρ F C pag F Δ T ρ gramo i F gramo sn t 1 / 2

dónde

sn = [ 1 − ( y − X ) α F D ( C pag F i F gramo ) ( ∂ T ∂ X ) pag ] − 1

y las variables son:

R - tasa de crecimiento de la burbuja

α F - difusividad térmica del líquido

ρ F - densidad del liquido

C pag F - calor específico de la fase líquida

Δ T - diferencia de temperatura

ρ gramo - densidad del gas

i F gramo - calor latente de vaporización

t - tiempo

D - coeficiente de difusión molar

Ha pasado un tiempo desde que analicé esto en profundidad, pero creo que el X y y Las variables se refieren a la posición relativa a un tubo calentado uniformemente coaxial al y eje. Honestamente, no espero que uses esta fórmula, pero espero que te impresione que hay personas que han dedicado mucho tiempo a este tema. Si lo encuentra interesante, es posible que tenga una carrera prometedora en ingeniería de calderas de plantas de energía en general o ingeniería de plantas de energía nuclear en particular.

Vaya, nunca supe que el umbral de ebullición en ausencia de sitios de nucleación fuera tan alto: siempre pensé que el agua sobrecalentada era un estado bastante inusual, en lugar del estado normal del agua caliente en una tetera. Entonces, para observar el segundo fenómeno que mencioné, necesitaría calentar una columna muy alta de agua sucia (es decir, con muchas impurezas para formar sitios de nucleación), ¿no?
Es bastante asombroso cuánto sobrecalentamiento se requiere para causar una ebullición homogénea (ebullición sin sitios de nucleación), pero tenga en cuenta que dije "teóricamente"; incluso en experimentos estrechamente controlados, nadie ha obtenido nunca tanto sobrecalentamiento. Si lo hicieran, sería una situación muy inestable. Los Cazadores de Mitos tenían un poco de "explosión de agua" que es relevante. En cuanto al agua sucia, depende del fenómeno que le interese. La suciedad proporcionaría sitios de nucleación, pero no alteraría mucho el crecimiento de las burbujas. Ahora estamos hablando de Mentos en refrescos. :)
Lo que quise decir es que, si caliento una columna muy alta de agua sucia, debería poder ver burbujas que crecen debido a la convección (posiblemente inducida por burbujas) que lleva agua caliente a regiones de menor presión, de modo que su punto de ebullición disminuye, en lugar de porque el agua está sobrecalentada. Sin embargo, parece un experimento bastante difícil de intentar. (Veré el episodio de Mythbusters tan pronto como tenga tiempo :))
Me parece que la dependencia de la tasa de crecimiento de burbujas de la presión del líquido sería mínima. Hay una serie de otros efectos que alteran la tasa de crecimiento; Agregaré algunas de las matemáticas a mi respuesta.
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