Не кавитационный пузырёк, а кавитационный агрегат молекул.

О МЕХАНИЗМЕ НАГРЕВА ВОДЫ ПРИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ

А.А.Гришаев, независимый исследователь

Введение.

Гидродинамическая кавитация [1,2] используется для эффективного нагрева воды в теплогенераторах, которые в настоящее время производит ряд фирм [3-7]. По сравнению с устройствами прямогоэлектронагрева, у кавитационныхтеплогенераторов отношение полезной тепловой мощности к мощности, потребляемой из электрической сети, может быть в разы больше, и оно может даже превышать единицу. Эта «сверх-единичность» не укладывается в догмы академической науки, поэтому официальное объяснение для механизма кавитационного нагрева отсутствует. Таким положением дел стимулируется спекулятивный подход к проблеме, при котором, для «объяснения» аномального тепловыделения при кавитации, бездоказательно апеллируют к «энергии физического вакуума», или к «энергии мирового эфира», или к «торсионным полям», или к ядерным реакциям в кавитационных пузырьках.

Между тем, нам удалось построить для кавитационного нагрева простую модель, в которой не используются экзотические гипотезы. При этом естественным оказывается обоснование возможности «сверх-единичных» режимов, которые, в данном случае, ничуть не противоречат закону сохранения энергии.

Отправным пунктом нашей модели является пересмотр представлений о содержимом того, что называется «кавитационным пузырьком».

Традиционные представления о кавитационном пузырьке.

Согласно традиционным представлениям, при быстром локальном понижении давления в жидкости – до величины давления насыщенного пара при имеющейся температуре – в жидкости образуется локальный разрыв сплошности. Его зародышами считаются места ослабления сцепки молекул жидкости – из-за посторонних включений, в частности, молекул растворённых веществ. Что касается содержимого образовавшейся полости в жидкости, то некоторые авторы считают, что внутри полости имеется полный (или почти полный) вакуум, но большинство авторов сходятся на том, что полость заполнена насыщенным паром (плюс, как незначительное добавление, газами, успевшими испариться внутрь полости через её границу). Так или иначе, но, согласно традиционному подходу, давление внутри кавитационного пузырька на стадии его образования никак не может превышать давления насыщенного пара.

И вот, нас пытаются убедить в том, что эти эфемерные пузырьки, переходя из области пониженного давления в жидкости, при котором они образовались, в область «нормального» давления, испытывают т.н. «схлопывание», которое способно продуцировать аномальное тепловыделение и сокрушительные механические эффекты – кавитационную эрозию.

Феномен этого «схлопывания» выглядит непостижимым чудом с позиций традиционного подхода. Для объяснения механических и тепловых эффектов, порождаемых схлопыванием пузырьков с насыщенным паром, разные авторы утверждают, что в схлопывающихся пузырьках достигаются чудовищные давления и температуры. Так, автор [8] говорит о цифрах «100 МПа и 1000^оС». Поскольку 1 атмосфера – это примерно 10⁵ Па, то речь идёт о 10³ атм и 1000^оС. Но это далеко не предел. Автор [9] пишет: «При схлопывании внутри пузырька создаются большие давления до 10⁹ Па, в пузырьке происходит разогрев парогазовой смеси до 8000…12000 К» - т.е., речь уже про 10⁴ атмосфер. В работе же [10], где дан великолепный обзор трудов по данному вопросу, цитируется следующее: «в конечной стадии захлопывания возникают высокие температуры до 10000 градусов Кельвина» и давления «до 10⁷ атм».

Откуда, физически, взяться таким запредельным значениям? Если некоторый объём насыщенного пара, плотность которого на 5 порядков меньше плотности жидкости, сжать до плотности жидкости, то, теоретически, давление в нём можно поднять до десятков тысяч атмосфер. Но, для этого, внешнее сжимающее давление должно составлять те же десятки тысяч атмосфер – а, между тем, схлопывание кавитационных пузырьков успешно происходит в обычной жидкости, давление в которой составляет одну (!) атмосферу. Что же касается температур в десяток тысяч градусов, то как можно серьёзно говорить о таких цифрах? – ведь ещё в первой половине ХХ века были проведены изящные опыты по индикации температур, достигаемых в кавитирующей воде! Маринеско [11] использовал воду с подмешанным к ней мелкодисперсным несмачиваемым порошком того или иного взрывчатого вещества. Температура вспышки для каждого из этих веществ была хорошо известна. Если кавитация сопровождалась вспышками крупиц порошка, то это означало, что достигалась температура вспышки для данного вещества. При исходной температуре воды в 20^оС, наблюдались вспышки у гремучего серебра и у порошков типа бертолетовой соли на основе пероксидов и перхлоратов, но не наблюдались вспышки у взрывчатых веществ с нитрогруппами. Маринеско сделал вывод, о том, что температура в кавитационных пузырьках не превышала 234^оС [11].

Как невелика эта цифра по сравнению с десятком тысяч градусов, который требуется теоретикам! Похоже, в рамках традиционных подходов мы не получаем даже элементарного понимания феномена кавитации.

Не кавитационный пузырёк, а кавитационный агрегат молекул.

Обратимся к хорошо известной фазовой диаграмме воды в координатах «объём (V) – давление (p)» (см. Рис.1). Критическая точка К является вершиной «пика», склоны которого разграничивают области существования различных фазовых состояний воды. Выше изотермы, соответствующей критической температуре t_K и проходящей через критическую точку К, вода может находиться только в газообразном состоянии. Область только жидкого состояния ограничена сверху – названной изотермой, а справа – кривой насыщения (см.Рис.1).

Рис.1. PV-диаграмма воды. Показаны участки трёх изотерм – t_0, t_lim и t_К.

Пусть исходное состояние жидкой воды изображает точка О – задающая давление p₀ и температуру t₀; через эту точку проходит соответствующая изотерма t₀. При локальном адиабатическом падении давления, точка состояния перемещается вниз по изотерме t₀ до попадания на кривую насыщения, где локальное давление становится равно давлению насыщенного пара p_насыщ – это состояние изображает точка А.

Что происходит дальше? На наш взгляд, логично выглядит допущение о том, что самым первым результатом локального понижения давления в воде – до давления насыщенного пара – является не разрыв сплошности воды с образованием полости, а потеря молекулами воды, в соответствующем объёмчике, их коллективной сцепки [12], благодаря которой существовало жидкое состояние. Сразу после образования такого конгломерата молекул воды, окружённого жидкой водой, давление в нём равно давлению насыщенного пара, но – подчеркнём особо! – его плотность, практически, равна плотности воды – уменьшившись лишь из-за ничтожного объёмного расширения при переходе О ® А. Этот конгломерат молекул, из-за наличия своей границы, разделяющей два разных фазовых состояния, будет визуально выглядеть как «пузырёк» в воде. Мы будем называть его кавитационным агрегатом молекул, или просто кавитационным агрегатом – на латинском языке слово «агрегат» означает «что-либо по внешности целое, но бессвязное, составное» (словарь Даля).

Исходное состояние кавитационного агрегата (точка А на Рис.1) является сильно неравновесным, поскольку плотность образовавшегося «пара» на порядки превышает значение плотности, которую должен иметь пар. Согласно принципу ЛеШателье, неравновесность состояния будет стремиться уменьшиться – через увеличение объёма кавитационного агрегата. Требуемое увеличение объёма – с сохранением агрегатного состояния – происходит через перемещение точки состояния вверх по кривой насыщения, в направлении к критической точке. На первый взгляд, эта точка может быть достигнута – несмотря на парадоксальность фазового движения, при котором увеличение объёма кавитационного агрегата сопровождается увеличением давления и температуры в нём. Но мы усматриваем механизмы, которые противодействуют этому движению состояния кавитационного агрегата к критической точке. При достаточном превышении давления в кавитационном агрегате над давлением p₀ в воде, должно начаться «растворение под давлением» молекул кавитационного агрегата – представляющее собой переход его пограничных молекул в окружающую жидкую фазу. Более того, при достижении некоторого предельного давления p_lim в кавитационном агрегате (точка В на диаграмме, Рис.1), «растворение под давлением» должно приобрести взрывной характер. Внешне это проявилось бы как взрывная конденсация кавитационного агрегата – от его периферии к центру. На наш взгляд, эту взрывную конденсацию и принимают за «схлопывание кавитационного пузырька».

Как найти предельное давление p_lim, при достижении которого кавитационный агрегат испытывает взрывную конденсацию? Заметим, что кавитационный агрегат образовался тоже в результате локального взрывного превращения – из состояния жидкости. Это превращение произошло в точке на кривой насыщения при определённом соотношении между давлением p₀ в воде и давлением p_насыщ в области, где вода превратится в кавитационный агрегат – обозначим отношение этих давлений через a. Можно допустить, что обратное взрывное превращение, в более высокой точке кривой насыщения, происходит при обратном соотношении давлений, т.е. когда давление в кавитационном агрегате p_limпревышает давление p₀ во столько же раз a. Тогда, для значения p_lim получаем:

p_lim = a p₀ = p₀² / p_насыщ. (1)

Таким образом, предельные значения давления и температуры, p_lim и t_lim, у кавитационного агрегата перед его взрывной конденсацией можно находить по следующей схеме. Исходная температура воды, t₀, задаёт давление насыщенного пара p_насыщ. Зная p_насыщ и исходное давление в воде p₀, можно найти p_lim по формуле (1). Наконец, можно найти температуру t_lim, соответствующую давлению p_lim на кривой насыщения, построенной в координатах «давление-температура» (Рис.2).

Рис.2.Кривая насыщения в координатах давление - температура.

Если, для примера, вода находится при t₀=20^оС и p₀=1 атм, то p_lim составит 43.4 атм. Этому давлению соответствует, на кривой насыщения, температура t_lim»250^оС – что оказывается в неплохом согласии с результатами опытов Маринеско (см. выше). Но будут ли обеспечены наблюдаемые тепловые эффекты такой температурой, дискретно достигаемой в кавитирующей воде?