Кинетика кипения воды в поле силы тяжести (стр. 2 из 2)
Измерение шумов, сопровождающих кипение
Для измерений использовался высокочувствительный микрофон с усилителем, который с помощью адаптера был подключен к персональному компьютеру IBM PC 386. Усиливались сигналы в частотном диапазоне 17-70 кГц. Микрофон подносили к поверхности воды, налитой в электрочайник мощностью 1 кВт. Проводили измерения шума при нагревании воды на разных стадиях: 1) в самом начале объемной дегазации; 2) на стадии "белого ключа"; 3) при установившемся кипении. Для каждого цикла измерений наливалась свежая холодная вода. Результаты записывались в виде текстовых файлов. После преобразования Фурье были отфильтрованы гармоники спектра, вызванные селективным усилением приемного тракта, а также сигналы, амплитуда которых не превышала уровня шумов установки. Из частотных характеристик, приведенных на рис. 7, видно, что стадия "белого ключа" сопровождается значительным возрастанием акустического шума в частотном диапазоне от 35 до 60 кГц.
Можно выделить три различных механизма возникновения шума: 1) отрыв ПП от дна; 2) схлопывание ПП в объеме; 3) схлопывание ПП и ВП на поверхности. Проведем оценку характерных частот шумов для всех этих механизмов:
1. При отрыве ПП от дна характерная частота порядка 100 Гц [5].
2. По приведенной выше оценке (10) схлопывание ПП в объеме сопровождается колебаниями воды с частотой 1 кГц.
3. Характерная частота звука, возникающего, когда пузырьки лопаются на поверхности, может быть определена из соотношения (10):
(11)Считая, что пузырек схлопывается за счет капиллярного давления, получим:
(12)Схлопывание ПП радиусом 1-10 мм приводит к низкочастотным колебаниям порядка 100 Гц. Для ВП радиусом 40 мкм частота колебаний составляет 50 кГц.
Рис. 7: Спектр шума на различных стадиях кипения
Проведенные оценки однозначно показывают, что измеренный высокочастотный шум вызван схлопыванием воздушных пузырьков на поверхности. Частотный интервал шума на стадии "белого ключа" показывает, что при индуцированной дегазации в объеме образуются воздушные пузырьки размерами от 35 до 50 мкм.
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования эволюции паровых и воздушных пузырьков в воде позволяют сделать следующие выводы:
1. Проведенные наблюдения за появлением и ростом пузырьков на дне и расчеты показали, что критический радиус при отрыве от дна определяется диаметром "перетяжки" и при нормальных условиях не может быть менее миллиметра.
2. Показано, что подъем пузырьков, оторвавшихся от дна, определяется турбулентным обтеканием, а пузырьков, образующихся в объеме, - ламинарным.
3. Измерение спектрального состава шумов, сопровождающих различные стадии кипения, показало, что шумы на стадии "белого ключа" связаны с образованием в объеме воздушных пузырьков размерами 35-50 мкм.
В заключение благодарю моего научного руководителя, доктора физико-математических наук, профессора Уральского государственного университета Шура Владимира Яковлевича за те исключительно увлекательные часы совместной работы, за то что сумел заинтересовать, вдохновить, и многому научить как в подходе к решению поставленной задачи, так и в оформлении результатов.
Кикоин И.К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. - М., Физматгиз, 1963.
Гегузин Я. Е. Пузыри. - М., Наука, 1985.
Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики, Т.1, - М., Наука, 1972.
Майер В. В. Кумулятивный эффект в простых опытах. - М., Наука, 1989.
Варламов А. А., Шапиро А. И. Пока чайник не закипел . Квант. 1987. N 8.