¿Qué distingue fundamentalmente la cavitación y la ebullición como fenómenos diferentes?

La cavitación y la ebullición son nombres de fenómenos que implican la aparición repentina de burbujas de vapor dentro de un líquido, y en ambos casos ocurren cuando la presión hidrostática local es menor que la presión de vapor del fluido, pero eso no significa necesariamente que sean la misma cosa.

En este video de un elemento calefactor eléctrico en agua , entre la 01:00 y las 02:00 el sonido producido por el rápido colapso de la burbuja se vuelve más y más fuerte, pero hay pocas burbujas visibles. ¿El proceso que produce este sonido se considera ebullición o cavitación ? ¿Cuál es la distinción?

He dejado una respuesta provisional a la pregunta relacionada en otro sitio de SE: ¿Cómo (en realidad) los propulsores subenfriados reducen la cavitación dentro de las bombas turbo y facilitan la alimentación? No pude aceptar la respuesta a esa pregunta que comienza con la afirmación "la cavitación está hirviendo".

Aunque están relacionados, ¿qué distingue fundamentalmente la cavitación y la ebullición como fenómenos diferentes?

Ingeniero mecánico aquí, ex nuclear de la Marina de los EE. UU. La definición del libro de texto de cavitación es, desde mi entrenamiento nuclear:

"La formación y el posterior colapso de las burbujas de vapor a medida que la presión de succión cae por debajo y luego sube por encima de la presión de saturación".

Esta definición se refiere a la presión de succión como en una bomba, pero diría de manera más general y aparentemente contra la mayoría de los otros carteles aquí que la cavitación se refiere más a la formación y posterior colapso de las burbujas de vapor que a cómo se producen esas burbujas de vapor. .

Ahora, entiendo que el efecto de cavitación generalmente ocurre (o es más discutido cuando ocurre) en bombas y hélices, pero también ocurre en agua hirviendo.

Cuando hierve el agua, inicialmente es tranquila y no hay burbujas. En algún punto de transición (ebullición nucleada), se forman burbujas en el fondo de la sartén, se desprenden, pero colapsan antes de llegar a la superficie . Este tipo de ebullición (denominado cocción lenta en términos culinarios) se puede denominar correctamente cavitación. Esta es también una fase muy ruidosa en el proceso de ebullición: este es el período "ruidoso" en el video de OP.

Después de la cavitación llega (para cocinar, al menos) la fase final de ebullición, en la cual el fluido a granel hierve y las burbujas alcanzan la superficie del agua (salida de la ebullición de nucleados). A pesar de que la ebullición parece ser más vigorosa, en realidad es mucho más silenciosa porque ya no se produce cavitación .

La cavitación es el sonido metálico que hace una olla de agua antes de que hierva por completo. Una vez que se alcanza una ebullición completa, las burbujas de vapor alcanzan la superficie y la calidad del sonido cambia de un ping a más gorgoteo.

Dicho todo esto, se ha hablado mucho en otras publicaciones sobre la ebullición como la aplicación de calor y la cavitación sobre la reducción de la presión. Nuevamente, la reducción de la presión (por debajo de la presión de saturación) es una causa de cavitación, pero reducir la presión no es la definición de cavitación.

El término para crear burbujas de vapor al reducir la presión se llama destilación instantánea o evaporación instantánea . El término para crear burbujas de vapor al aumentar el calor se llama ebullición .

El término cavitación se refiere a la formación y posterior colapso de las burbujas de vapor. La cavitación ocurre en bombas, en una olla de agua de espagueti, en una hélice submarina, etc. No se limita a ninguno de los modos de creación (presión o calor). El video en la publicación de OP muestra la cavitación durante un proceso de ebullición.

:EDITAR:

El comentario de Air me desafió a producir una fuente para la definición de cavitación que proporcioné aquí. La línea que cité arriba está memorizada desde hace unos 15 años. Tengo (en una estantería en casa) un folleto técnico condensado de información no clasificada que se nos dio al final de los cursos de capacitación nuclear para referencia personal. Al intentar encontrar este manual en línea, encontré un sitio web de publicaciones técnicas que parece reproducir parte del contenido que nos enseñaron en el programa de capacitación en energía nuclear.

El primer volumen de ciencia mecánica tiene una sección sobre cavitación que dice:

Si la caída de presión es lo suficientemente grande, o si la temperatura es lo suficientemente alta, la caída de presión puede ser suficiente para hacer que el líquido se convierta en vapor cuando la presión local cae por debajo de la presión de saturación del fluido que se bombea. Cualquier burbuja de vapor formada por la caída de presión en el ojo del impulsor es arrastrada a lo largo de las paletas del impulsor por el flujo del fluido. Cuando las burbujas entran en una región donde la presión local es mayor que la presión de saturación más allá del álabe del impulsor, las burbujas de vapor colapsan abruptamente. Este proceso de formación y posterior colapso de las burbujas de vapor en una bomba se llama cavitación.

(Énfasis agregado) La definición que se nos ordenó memorizar (como cité en la parte superior) es la versión condensada de esta declaración para su reproducción en los exámenes.

Ahora, no hay una fuente en este sitio web en particular , donde los volúmenes de referencia están desglosados ​​por sección, en cuanto a dónde se origina este material, pero en la parte superior de la página se encuentra el documento DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Puede buscar ese número y encontrar el documento publicado en su totalidad en el sitio web del Departamento de Energía , donde se puede encontrar ese pasaje en la página 12.

Además, con respecto al comentario sobre "la industria no sigue la línea de la Armada de los EE. UU.", La copia alojada en el sitio web del DOE incluye un prólogo y una descripción general que establece que el material fue preparado con aportes de la industria nuclear y está destinado para su uso en capacitación operadores nucleares Entonces, tal vez algunas industrias no usan la definición de cavitación que he proporcionado, pero la industria nuclear sí , y parece (por el comentario de Bryon Wall ) que la industria química también lo hace.

Creo que esto se trata más del lenguaje que de la física. El fenómeno físico básico, el cambio de fase de líquido a gas cuando la presión de vapor es igual a la presión hidrostática en el fluido, es el mismo para la ebullición y la cavitación.

En uso común (no científico), "hervir" significa calentar el líquido hasta que su presión de vapor sea igual a la presión interna del fluido. En la mayoría de los casos "no científicos", el calentamiento se realiza a una presión (aproximadamente) constante con una interfaz entre el líquido y un gas (por ejemplo, agua y aire), y el líquido vaporizado (vapor) abandona el líquido y se mezcla con el gas , transfiriendo calor del líquido al gas.

Por otro lado, la "cavitación" es una reducción local de la presión en el líquido, a (aproximadamente) temperatura constante. Al igual que con la ebullición, parte del líquido se vaporiza cuando la presión del líquido es igual a la presión del vapor, pero el vapor no puede escapar a ninguna parte porque el líquido circundante está a una presión más alta. Si una burbuja de vapor comienza a moverse a través del fluido, pronto llega a un punto donde la presión del fluido es más alta y se derrumba en un líquido.

Las ondas de presión repentinas en el líquido, que se crean cuando las burbujas colapsan, pueden dañar los componentes metálicos como las hélices, las turbinas de agua, etc.

La respuesta corta es que la cavitación y la ebullición se refieren a un cambio de fase de líquido a gas que hace que se formen burbujas, donde la cavitación es impulsada por una caída de presión y la ebullición es impulsada por un aumento de la temperatura. Para una cita, vea Cavitación y Dinámica de burbujas , página 1:

Una forma aproximada pero útil de distinguir estos dos procesos es definir la cavitación como el proceso de nucleación en un líquido cuando la presión cae por debajo de la presión de vapor, mientras que la ebullición es el proceso de nucleación que ocurre [sic] cuando la temperatura se eleva por encima del temperatura de vapor / líquido saturado. Por supuesto, desde un punto de vista físico básico, hay poca diferencia entre los dos procesos ... Las diferencias en los dos procesos ocurren debido a los diferentes factores de complicación que ocurren en un flujo de cavitación por un lado y en los gradientes de temperatura. y efectos de pared que ocurren en ebullición por otro lado.

Si desea saber cómo esta distinción puede ser útil, el texto completo de una edición anterior del libro está disponible en el sitio web de la biblioteca Caltech. Encontrar una edición más reciente en la biblioteca no debería ser difícil, teniendo en cuenta que el trabajo ha sido citado casi 3.000 veces según Google Scholar.

La respuesta larga comienza señalando que esta cita no pretende dar las únicas definiciones de cavitación y ebullición; propone explícitamente una forma de definirlos como dos procesos que es "aproximado pero útil". Espero que el Dr. Brennen esté de acuerdo en que existen contextos en los que otras definiciones son más útiles.

En un sentido muy general, "cavitación" puede significar la aparición espontánea de cavidades (también conocidas como huecos o burbujas) dentro de un líquido. Si está investigando cómo diferentes materiales o geometrías de superficie promueven o suprimen la nucleación, esta podría ser una definición más útil para usted que una que excluya el calentamiento.

En un sentido más restrictivo, "cavitación" puede significar solo ese subconjunto de los primeros que ocurre a una temperatura relativamente constante, en presencia de una interfaz sólida, que luego implosiona y contribuye al desgaste de los componentes mecánicos. Si está construyendo un sistema de propulsión para un submarino, esta podría ser una definición más útil que cualquiera de los dos anteriores.

La palabra "ebullición" es anterior a la termodinámica moderna, por lo que no debería sorprendernos si es difícil de precisar. Por lo general, pensamos en la ebullición como un proceso que involucra burbujas, pero la ebullición de la película es una excepción: claramente la gente que investiga lo que sucede cuando aplicas una tonelada de calor en una interfaz sólido / líquido pensó que era útil poner este fenómeno en la misma categoría que el nucleado hirviendo.

Por otro lado, también se dice que los líquidos "hierven" en el vacío (y aquí hay un video de eso , si tiene curiosidad: ¡trate de descubrir dónde se produce la nucleación!). ¿Crees que a la gente de la NASA le importa si la ebullición requiere calor cuando trabajan para mitigar los riesgos asociados con la descompresión explosiva? Yo no.

Ganas muy poco al esperar o dar la expectativa de una terminología objetivamente correcta. Si está escribiendo algo técnico sobre el tema y tiene la intención de distinguir entre cavitación y ebullición, simplemente explique sus definiciones. Haga su debida diligencia para asegurarse de que sus definiciones no sean una desviación significativa del consenso, o bien cree un argumento muy fuerte para apoyarlas.

Ya veo, como yo, quieres una respuesta simple. En la tetera, el agua se calienta hasta el punto de ebullición alrededor del elemento, pero el agua circundante no. El vapor no puede existir a menos de 100 ° C a presión atmosférica, por lo que cuando el vapor entra en contacto con el agua más fría, se condensa inmediatamente, sin dejar efecto amortiguador, por lo que es como metal contra metal.

La cavitación no tiene que implicar vaporización. Un líquido como el fluido hidráulico, si la entrada de la bomba está restringida, se forman burbujas de vacío. Debido a que no hay aire en ellos para amortiguar el impacto, nuevamente, es como metal contra metal. La bomba suena como si estuviera aplastando virutas de metal. Aunque es un líquido, impacta como el metal y fatiga las partes metálicas. También ocurre si el flujo está sobre una superficie como el lado de una bola y no hay suficiente presión para mantenerlo siguiendo la superficie, o si fluye fuera del borde de una superficie como una hélice. El líquido se expulsa de la superficie y se forman burbujas de vacío, luego se colapsan sin amortiguación, lo que produce un sonido metálico y erosiona los bordes de la hélice. Es aún peor para los submarinos. Dice "¡Aquí estoy!" al enemigo Puede demostrar el efecto con una manguera de jardín y un balde de agua. Sube un tramo de escaleras. retire los accesorios, y coloque la manguera sobre el pasamanos o manténgala en lo profundo del balde y comience a sifonar el agua, luego golpee con el dedo la entrada. Aquí encontrarás una leve grieta metálica desde el interior de la parte más alta de la manguera a medida que el agua continúa, luego se golpea contra sí misma.

Estoy un poco confundido, si preguntas en relación con la cavitación de la bomba, entonces mi respuesta: la cavitación enfatiza en la ebullición inversa (cuando el vapor vuelve al líquido, la burbuja que se derrumba). Ahí es cuando se realiza la acción destructiva, el impacto superficial. Es por eso que las piezas del impulsor se dañan cerca de la salida.