O que distingue fundamentalmente cavitação e ebulição como fenômenos diferentes?

Cavitação e ebulição são nomes de fenômenos que envolvem o aparecimento repentino de bolhas de vapor dentro de um líquido e, em ambos os casos, ocorrem quando a pressão hidrostática local é menor que a pressão de vapor do fluido, mas isso não significa necessariamente a mesma coisa.

Em este vídeo de um elemento de aquecimento eléctrico em água , 01:00 - 02:00 o som produzido pelo rápido colapso da bolha fica mais alto e mais alto, mas existem algumas bolhas visíveis. O processo que produz esse som é considerado fervura ou cavitação ? Qual a distinção?

Eu deixei uma resposta provisória para a pergunta relacionada em outro site da SE: Como (na verdade) os propulsores sub-resfriados reduzem a cavitação nas bombas turbo e facilitam a alimentação? Não pude aceitar a resposta dessa pergunta que começa com a afirmação "a cavitação está fervendo".

Embora estejam relacionados, o que distingue fundamentalmente cavitação e ebulição como fenômenos diferentes?

Engenheiro mecânico aqui, ex-soldado da Marinha dos EUA. A definição do livro didático de cavitação é, do meu treinamento nuclear:

"A formação e subsequente colapso de bolhas de vapor à medida que a pressão de sucção cai abaixo e depois sobe acima da pressão de saturação".

Essa definição se refere à pressão de sucção como em uma bomba, mas eu diria de maneira mais geral e aparentemente contra a maioria dos outros pôsteres aqui que a cavitação se refere mais à formação e subsequente colapso de bolhas de vapor do que sobre como essas bolhas de vapor ocorrem .

Agora, entendo que o efeito da cavitação geralmente ocorre (ou é mais discutido quando ocorre) em bombas e hélices, mas também acontece em água fervente.

Quando você ferve a água, inicialmente ela fica quieta e não há bolhas. Em algum ponto de transição (ebulição nucleada), as bolhas se formam no fundo da panela, rompem, mas desmoronam antes de atingirem a superfície . Este tipo de ebulição (referido como fermento em termos culinários) pode ser corretamente referido como cavitação. Essa também é uma fase muito barulhenta no processo de ebulição - esse é o período "barulhento" do vídeo do OP.

Após a cavitação, ocorre (pelo menos para cozinhar) a fase de ebulição final, na qual o fluido a granel ferve e borbulha atingindo a superfície da água (partida da ebulição nucleada). Apesar de a fervura parecer mais vigorosa, isso é realmente muito mais silencioso porque a cavitação não está mais ocorrendo .

Cavitação é o som que um pote de água faz antes de ferver. Quando a fervura é alcançada, as bolhas de vapor atingem a superfície e a qualidade do som muda de um ping para um gorgolejo.

Tudo isso dito, tem havido muita conversa em outros posts sobre a ebulição, sendo a aplicação de calor e cavitação a redução da pressão. Novamente, a redução da pressão (abaixo da pressão de saturação) é uma causa da cavitação, mas reduzir a pressão não é a definição de cavitação.

O termo para criar bolhas de vapor reduzindo a pressão é chamado de destilação instantânea ou evaporação instantânea . O termo para criar bolhas de vapor aumentando o calor é chamado de ebulição .

O termo cavitação refere-se à formação e subsequente colapso das bolhas de vapor. A cavitação ocorre em bombas, em uma panela de água com esparguete, em uma hélice submarina, etc. Não está restrita a nenhum modo de criação (pressão ou calor). O vídeo no post do OP mostra cavitação durante um processo de ebulição.

:EDITAR:

Senti-me desafiado pelo comentário de Air a produzir uma fonte para a definição de cavitação que forneci aqui. A linha que citei acima é memorizada há cerca de 15 anos. Tenho (em uma estante de livros em casa) uma apostila técnica condensada de informações não classificadas que recebemos na conclusão dos cursos de treinamento nuclear para referência pessoal. Ao tentar encontrar este manual on-line, encontrei um site de publicações técnicas que parece reproduzir parte do conteúdo que aprendemos no programa de treinamento em energia nuclear.

O primeiro volume de ciências mecânicas possui uma seção sobre cavitação que afirma,

Se a queda de pressão for grande o suficiente, ou se a temperatura for alta o suficiente, a queda de pressão poderá ser suficiente para fazer com que o líquido pisque ao vapor quando a pressão local cair abaixo da pressão de saturação do fluido sendo bombeado. Quaisquer bolhas de vapor formadas pela queda de pressão no olho do impulsor são varridas pelas pás do impulsor pelo fluxo do fluido. Quando as bolhas entram em uma região onde a pressão local é maior que a pressão de saturação, mais afastada da palheta do impulsor, as bolhas de vapor entram em colapso abruptamente. Esse processo de formação e subsequente colapso de bolhas de vapor em uma bomba é chamado de cavitação.

(Ênfase adicionada) A definição que fomos instruídos a memorizar (como citei na parte superior) é a versão condensada dessa declaração para reprodução nos exames.

Agora, não há nenhuma fonte neste site específico , onde os volumes de referência são divididos por seção, sobre a origem desse material, mas na parte superior da página é fornecido o documento DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Você pode procurar esse número e encontrar o documento publicado na íntegra no site do Departamento de Energia , onde essa passagem pode ser encontrada na página 12.

Além disso, com relação ao comentário sobre "a indústria não segue a linha da Marinha dos EUA", a cópia hospedada no site do DOE inclui um prefácio e uma visão geral que afirma que o material foi preparado com a contribuição da indústria nuclear e se destina ao uso em treinamento operadores nucleares. Então, talvez algumas indústrias não usem a definição de cavitação que forneci, mas a indústria nuclear usa , e parece (pelo comentário de Bryon Wall ) que a indústria química também.

Eu acho que isso é mais sobre linguagem do que física. O fenômeno físico básico - a mudança de fase de líquido para gás quando a pressão de vapor é igual à pressão hidrostática no fluido - é o mesmo para ebulição e cavitação.

No uso comum (não científico), "ebulição" significa aquecer o líquido até que a pressão do vapor seja igual à pressão interna do fluido. Na maioria dos casos "não científicos", o aquecimento é feito a (aproximadamente) pressão constante com uma interface entre o líquido e um gás (por exemplo, água e ar), e o líquido vaporizado (vapor) sai do líquido e se mistura com o gás , transferindo calor do líquido para o gás.

Por outro lado, "cavitação" é uma redução local da pressão no líquido, a (aproximadamente) temperatura constante. Assim como na ebulição, parte do líquido evapora quando a pressão do líquido é igual à pressão do vapor, mas o vapor não pode escapar de lugar nenhum porque o líquido circundante está sob pressão mais alta. Se uma bolha de vapor começa a se mover através do fluido, logo chega a um ponto em que a pressão do fluido é mais alta e entra em colapso.

As súbitas ondas de pressão no líquido, criadas quando as bolhas colapsam, podem causar danos aos componentes metálicos, como hélices, turbinas de água, etc.

A resposta curta é que a cavitação e a ebulição se referem a uma mudança de fase de líquido para gás que causa a formação de bolhas, onde a cavitação é causada por uma queda de pressão e a ebulição é causada por um aumento de temperatura. Para uma citação, consulte Dinâmica de cavitação e bolhas , página 1:

Uma maneira aproximada, porém útil, de distinguir esses dois processos é definir cavitação como o processo de nucleação em um líquido quando a pressão cai abaixo da pressão do vapor, enquanto a ebulição é o processo de nucleação que ocorre quando a temperatura é elevada acima do temperatura saturada de vapor / líquido. Obviamente, do ponto de vista físico básico, há pouca diferença entre os dois processos ... As diferenças nos dois processos ocorrem devido aos diferentes fatores complicadores que ocorrem em um fluxo de cavitação, por um lado, e nos gradientes de temperatura por outro lado, efeitos de parede que ocorrem em ebulição.

Se você quiser saber como essa distinção pode ser útil, o texto completo de uma edição mais antiga do livro está disponível no site da biblioteca da Caltech. Encontrar uma edição mais recente na biblioteca não deve ser difícil, considerando que o trabalho foi citado quase 3.000 vezes, de acordo com o Google Scholar.

A resposta longa começa observando que esta citação não pretende dar as únicas definições de cavitação e ebulição; propõe explicitamente uma maneira de defini-los como dois processos "ásperos, mas úteis". Espero que o Dr. Brennen concordaria que existem contextos nos quais outras definições são mais úteis.

Em um sentido muito geral, "cavitação" pode significar a aparência espontânea de cavidades (também conhecidas como vazios ou bolhas) dentro de um líquido. Se você estiver pesquisando como diferentes materiais ou geometrias de superfície promovem ou suprimem a nucleação, essa pode ser uma definição mais útil para você do que aquela que exclui o aquecimento.

Num sentido mais restritivo, "cavitação" pode significar apenas aquele subconjunto do anterior que ocorre a temperatura relativamente constante, na presença de uma interface sólida, que mais tarde implode e contribui para o desgaste de componentes mecânicos. Se você estiver construindo um sistema de propulsão para um submarino, essa pode ser uma definição mais útil que as duas anteriores.

A palavra "fervura" antecede a termodinâmica moderna, portanto não devemos nos surpreender se for difícil definir. Normalmente, pensamos em ebulição como um processo que envolve bolhas, mas a ebulição do filme é uma exceção - claramente as pessoas que pesquisam o que acontece quando você aplica uma tonelada de calor em uma interface sólido / líquido consideraram útil colocar esse fenômeno na mesma categoria que o nucleado. ebulição.

Por outro lado, também se diz que os líquidos "fervem" no vácuo (e aqui está um vídeo disso , se você estiver curioso - tente descobrir onde ocorre a nucleação!). Você acha que o pessoal da NASA se importa se a fervura requer calor quando estão trabalhando para mitigar os riscos associados à descompressão explosiva? Eu não.

Você ganha muito pouco ao esperar ou dar a expectativa de terminologia objetivamente correta. Se você estiver escrevendo alguma coisa técnica sobre o assunto e pretender distinguir entre cavitação e fervura, apenas explique suas definições. Faça sua devida diligência para garantir que suas definições não sejam um desvio significativo do consenso, ou então crie um argumento muito forte para apoiá-las.

Entendo, como eu, você quer uma resposta simples. Na chaleira, a água é aquecida ao ponto de ebulição ao redor do elemento, mas a água ao redor não é. O vapor não pode existir a menos de 100 ° C à pressão atmosférica; portanto, quando o vapor entra em contato com a água mais fria, ele se condensa imediatamente, sem deixar efeito de amortecimento, por isso é como metal contra metal.

A cavitação não precisa envolver vaporização. Um líquido como fluido hidráulico, se a entrada da bomba for restrita, formarão bolhas de vácuo. Como não há ar neles para amortecer o impacto, é como metal contra metal. Parece que a bomba está triturando lascas de metal. Mesmo que seja líquido, afeta como metal e fadiga as peças metálicas. Também ocorre se o fluxo estiver sobre uma superfície como o lado de uma bola e não houver pressão suficiente para mantê-lo seguindo a superfície, ou fluir da borda de uma superfície como uma hélice. O líquido é jogado para fora da superfície e as bolhas de vácuo se formam e, em seguida, colapsam sem amortecimento, emitindo um som metálico de crepitação e corroendo as bordas da hélice. É ainda pior para submarinos. Diz "Aqui estou eu!" para o inimigo. Você pode demonstrar o efeito com uma mangueira de jardim e um balde de água. Suba um lance de escadas. remova os acessórios e coloque a mangueira sobre o corrimão ou segure-a profundamente no balde e comece a sifonar a água, depois bata com o dedo na entrada. Você verá aqui uma leve rachadura metálica de dentro da parte mais alta da mangueira enquanto a água continua e depois bate contra si mesma.

Estou um pouco confuso, se você pergunta em relação à cavitação da bomba, então a minha ans: a cavitação enfatiza a ebulição reversa (quando o vapor volta ao líquido, a bolha em colapso). É quando a ação destrutiva é realizada, o impacto na superfície. É por isso que as peças do impulsor ficam danificadas perto da saída.