폭발비등 또는 위상폭발

Explosive boiling or phase explosion

열역학에서 폭발성 비등이나 위상 폭발은 과열된 전이성 액체가 증기 기포의 거대한 동핵 때문에 폭발성 액체-증기상 전환을 안정적인 2상 상태로 진행하는 방법이다. 이 개념은 1976년[1] M. M. Martyuk에 의해 개척된 후, 후에 Fucke와 Seydel에 의해 발전되었다.[2]

메커니즘

이 그림은 이노달과 시노달, 그리고 적색 곡선은 전형적인 가열 주기를 나타내며, 이는 폭발적인 비등 개념을 보여준다.

폭발성 비등은 p-T 위상 다이어그램으로 가장 잘 설명할 수 있다.[3] 오른쪽 그림은 물질의 전형적인 p-T 위상도를 보여준다. 이항선이나 공존곡선은 그 특정 온도와 압력에서 액체와 증기가 공존할 수 있는 열역학적 상태를 말한다. 오른쪽의 시노달 선은 여러 단계로 분해하기 위한 용액의 절대 불안정성의 경계선이다. 일반적인 가열 과정은 적색 잉크를 사용하여 보여준다.

가열 과정이 비교적 느리게 진행되어 액체가 평형 상태로 이완할 수 있는 충분한 시간이 있고 액체가 이항 곡선을 따른다면, 클로스우스-클레이프론 관계는 여전히 유효하다. 이 기간 동안 불순물 부위, 표면, 곡물 경계 등으로부터 핵화된 거품과 함께 물질에서 이기종 증발이 발생한다.[4]

이 그림은 임계점 부근의 열역학적 특성 변화를 보여준다.

반면 이질적인 비등을 통해 물질이 이항곡선에 도달할 수 없을 정도로 가열과정이 빠르면 액체는 주어진 압력에서 비등점 이상의 온도로 과열된다. 그런 다음 시스템은 이노달에서 멀어져서 계속 빨간 곡선을 따라가고 따라서 스핀오달 쪽으로 접근한다. 특정 열과 같은 임계 온도 열역학적 특성에 가까운 밀도는 오른쪽 그림에서 볼 수 있듯이 빠르게 변화한다. 밀도와 엔트로피는 가장 큰 변동을 겪는다. 이 기간 동안 매우 작은 부피에서 밀도 변동이 큰 것이 가능하다. 이러한 밀도의 변동은 거품의 핵화를 초래한다. 거품핵화 과정은 물질의 모든 곳에서 균일하게 일어난다. 거품핵과 증기구 성장률은 임계온도에 근접해 기하급수적으로 증가한다. 증가하는 핵은 시스템이 스핀오달로 가는 것을 막는다. 거품 반경이 임계 크기에 도달하면 거품 반경은 계속 팽창하고 결국 폭발하여 가스와 물방울이 혼합되어 폭발하며 이는 폭발적 비등 또는 위상 폭발이라고 불린다.

초기에는 마티육이 금속의 임계온도를 계산하는 데 폭발적 비등법을 사용하였다. 그는 금속 와이어를 가열하기 위해 전기 저항을 사용했다. 이후 초고속 펨토초 레이저 절제술을 사용하는 동안 폭발성 비등이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 비록 이러한 종류의 폭발적 비등 현상은 액체의 온도가 물질의 임계 온도에 가깝게 빠르게 상승하는 어떤 메커니즘에 의해서도 일어나야 한다.

참조

  1. ^ Martynyuk, M. M. (1 March 1977). "Phase explosion of a metastable fluid". Combustion, Explosion, and Shock Waves. 13 (2): 178–191. doi:10.1007/BF00754998. S2CID 98386500.
  2. ^ Seydel, U; Fucke, W (1 July 1978). "Experimental determination of critical data of liquid molybdenum". Journal of Physics F: Metal Physics. 8 (7): L157–L161. Bibcode:1978JPhF....8L.157S. doi:10.1088/0305-4608/8/7/003.
  3. ^ Bulgakova, N.M.; Bulgakov, A.V. (1 August 2001). "Pulsed laser ablation of solids: transition from normal vaporization to phase explosion". Applied Physics A: Materials Science & Processing. 73 (2): 199–208. Bibcode:2001ApPhA..73..199B. doi:10.1007/s003390000686. S2CID 98776908.
  4. ^ Christensen, B.; MS Tillack (2003). "Survey of mechanisms for liquid droplet ejection from surfaces exposed to rapid pulsed heating" (PDF). University of California, UCSDENG-100. Retrieved 5 March 2013.