Warum werden Dampfblasen beim Aufsteigen größer?

In folgendem Video (Kundenrezension eines Wasserkochers aus Glas) können wir das Kochen von Wasser beobachten: http://youtu.be/jByY5I7Xk7w?t=2m55s

Wenn der Wasserkocher gegen 2:55 Uhr zu kochen beginnt, können wir sehen, wie sich am Boden, wo sich das Heizelement befindet, große Dampfblasen bilden, die beim Aufsteigen schrumpfen. Vermutlich liegt das daran, dass sie mit kühlerem Wasser in Kontakt kommen. Dann bekommen wir für eine Weile einen verrückten Konvektionsstrom, bevor sich das Element wieder ausschaltet.

Nachdem die chaotische Bewegung abgeklungen ist (und die Flüssigkeit vermutlich sehr gut durchmischt ist), sehen wir, wie sich unten kleine Dampfbläschen bilden, die beim Aufsteigen wachsen. Dafür fallen mir zwei mögliche Erklärungen ein und ich bin gespannt, welche richtig ist:

  1. Das Wasser wird überhitzt. Am Boden des Wasserkochers befinden sich Nukleationsstellen, sodass sich dort Dampfblasen bilden. An der Grenzfläche zwischen Dampf und Wasser entsteht Dampf, wodurch die Blasen beim Aufsteigen wachsen.

  2. Unten ist der Druck etwas höher als oben. Geht man von einer Tiefe von 15 cm aus, liegt der Siedepunkt am Grund des Wassers bei etwa 100.3 ∘ C , im Vergleich zu 100.0 ∘ C oben. Am Boden bilden sich Blasen, weil das Heizelement noch etwas heißer ist als 100.3 ∘ C , und wenn sie aufsteigen, ziehen sie heißes Wasser nach oben in den Bereich mit etwas niedrigerem Druck, wo es sich in Dampf umwandelt, weil sein Siedepunkt sinkt und dies die Größe der Blase erhöht.

Insbesondere interessiert mich, ob die zweite dieser Erklärungen eine Rolle spielt. Wenn es in einem kochenden Wasserkocher nicht passiert, gibt es eine Situation, in der es passiert?

Warum haben Sie die einfachere Erklärung abgelehnt - dass der Umgebungsdruck abnimmt, wenn die Blasen aufsteigen, und sie sich einfach ausdehnen ( v = N k B T P ) ohne Masse- oder Energieübertragung?
@yohBS nur, weil die Druckänderung nur etwa 1,5 Pa beträgt, verglichen mit dem Umgebungsdruck von 100 Pa, sodass die Volumenänderung aufgrund dieses Effekts höchstens ein paar Prozent betragen kann - die im Video sichtbare Ausdehnung ist viel mehr als das.
Es gibt Zeiten, in denen Blasen, die in kochendem Wasser aufsteigen, schrumpfen würden. Können Sie sich vorstellen, warum?
@JohnBerryman Ich habe in der Frage schrumpfende Blasen erwähnt - in diesem Fall bin ich mir ziemlich sicher, dass das Wasser oben kälter ist, bevor es gemischt wird. (Das gleiche passiert in den Sprudelröhren in alten Musikboxen, die Wasser mit niedrigem Druck enthalten, mit einem Heizelement am Boden.) Oder denken Sie an eine andere Situation?

Antworten (1)

Die Diskussion über Nukleationsstellen ist sehr auf den Punkt gebracht. Wasser bei Atmosphärendruck ohne Keimbildungsstellen wird theoretisch nur am sieden 320.7 Ö C . Die Blasen wirken als Keimbildungsstellen, die die zum Verdampfen erforderliche Energie reduzieren. Im Falle einer Blase ist der effektive Kontaktwinkel zwischen der überhitzten Flüssigkeit und der Blasenoberfläche 180 Ö wodurch die zum Verdampfen des Wassers erforderliche Überhitzung reduziert wird 0 . Interessanterweise gibt es tatsächlich ein Hindernis für das Blasenwachstum, das durch die verringerte Temperatur des Dampfes innerhalb der Blase und eine entsprechende niedrigere Überhitzungsgrenzschicht der sie umgebenden Flüssigkeit verursacht wird.

FYI: Meine Informationen basieren auf den Seiten 138 und 549 von Collier und Thome .

In diesem Text wird eine Gleichung für die Geschwindigkeit des Blasenwachstums wie folgt angegeben:

R = 12 a F π ρ F C P F Δ T ρ G ich F G Sn T 1 / 2

Wo

Sn = [ 1 − ( j − X ) a F D ( C P F ich F G ) ( ∂ T ∂ X ) P ] − 1

und die Variablen sind:

R - Rate des Blasenwachstums

a F - Temperaturleitfähigkeit von Flüssigkeiten

ρ F - Flüssigkeitsdichte

C P F - spezifische Wärme der flüssigen Phase

Δ T - Temperaturunterschied

ρ G - Gasdichte

ich F G - latente Verdampfungswärme

T - Zeit

D - molarer Diffusionskoeffizient

Es ist schon eine Weile her, dass ich mich eingehend damit befasst habe, aber ich denke, das X Und j Variablen beziehen sich auf die Position relativ zu einem gleichförmig beheizten Rohr, das koaxial zu dem ist j Achse. Ehrlich gesagt erwarte ich nicht, dass Sie diese Formel tatsächlich verwenden, aber ich hoffe, es wird Sie beeindrucken, dass es Leute gibt, die viel Zeit mit diesem Thema verbracht haben. Wenn Sie es interessant finden, haben Sie vielleicht eine vielversprechende Karriere im Kraftwerkskesselbau im Allgemeinen oder im Kernkraftwerksbau im Besonderen.

Huh, ich wusste nie, dass die Schwelle zum Kochen ohne Keimbildungsstellen so hoch ist - ich dachte immer, dass überhitztes Wasser ein ziemlich ungewöhnlicher Zustand ist und nicht der normale Zustand für heißes Wasser in einem Wasserkocher. Um also das zweite erwähnte Phänomen zu beobachten, müsste ich eine sehr hohe Säule aus schmutzigem Wasser erhitzen (dh mit vielen Verunreinigungen, um Keimbildungsstellen zu bilden), richtig?
Es ist ziemlich erstaunlich, wie viel Überhitzung erforderlich ist, um ein homogenes Sieden (Sieden ohne Keimbildungsstellen) zu bewirken, aber beachten Sie, dass ich "theoretisch" sagte; Selbst in streng kontrollierten Experimenten hat noch nie jemand so viel Überhitzung erhalten. Wenn sie es täten, wäre es eine sehr instabile Situation. Die Mythbusters hatten etwas über „explodierendes Wasser“, das relevant ist. Was das schmutzige Wasser betrifft, hängt es davon ab, an welchem ​​Phänomen Sie interessiert sind. Der Schmutz würde Keimbildungsstellen bereitstellen, aber das Blasenwachstum nicht wesentlich verändern. Jetzt sprechen wir über Mentos in Soda. :)
Was ich meinte, war, wenn ich eine sehr hohe Säule aus schmutzigem Wasser erhitze, sollte ich Blasen sehen können, die aufgrund der (möglicherweise blaseninduzierten) Konvektion wachsen, die heißes Wasser in Regionen mit niedrigerem Druck trägt, so dass sein Siedepunkt eher sinkt als weil das Wasser überhitzt ist. Es klingt jedoch nach einem ziemlich schwierigen Experiment. (Ich werde mir die Mythbusters-Episode ansehen, sobald ich Zeit habe :) )
Es scheint mir, dass die Abhängigkeit der Blasenwachstumsrate vom Flüssigkeitsdruck minimal wäre. Es gibt eine Reihe anderer Effekte, die die Wachstumsrate verändern; Ich werde meiner Antwort etwas Mathematik hinzufügen.
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