O que distingue fundamentalmente cavitação e ebulição como fenômenos diferentes?

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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?

uhoh
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Isso não tem nada a ver com engenharia.
Wasabi
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Obrigado por seu comentário. Vejo aqui várias perguntas sobre cavitação. Os engenheiros fazem mais do que calcular aspectos da cavitação, os engenheiros também tentam entender a cavitação . Esclarecer a distinção entre dois fenômenos relacionados com os quais os engenheiros lidam regularmente é certamente sobre o assunto. Sim, essa não é outra pergunta "como faço para calcular ...", mas acho que alguém com um bom conhecimento prático de cavitação em um fluid-mechanicscontexto e engenharia de engenharia poderá oferecer uma resposta de engenharia.
Uhoh

Respostas:

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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.

Mandril
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Essa deve ser a resposta. Todas as referências à cavitação que encontrei (engenheiro químico na indústria de processos) se referem ao colapso de uma bolha. A bolha era quase sempre formada por uma redução na pressão devido a algum dispositivo (por exemplo, bomba ou válvula de controle) e, em seguida, aumento subsequente na pressão que quebra a bolha. Para as válvulas de controle, é feita uma distinção entre piscar onde as bolhas são formadas e cavitar onde essas bolhas subsequentemente colapsam. O último é destrutivo para uma válvula de controle; o primeiro pode impedir o controle se não for projetado.
Byron Wall
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Obrigado por uma resposta sem sentido que aborda os dois fenômenos de frente. Faz muito mais sentido para mim se o nariz alto durante a "fervura" pode realmente ser chamado de cavitação. Os nomes dos fenômenos referem-se mais ao que realmente acontece do que às condições que os levam a eles.
uhoh
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Eu recomendaria fortemente a adoção de uma abordagem menos dogmática da terminologia do que está implícito nesta resposta. É uma resposta informada, especializada e bastante valiosa por si só, vale a pena ser votada, mas não fornece a história completa. Em particular, a referência à "definição de livro didático" em face de uma definição alternativa dada em um livro extremamente credível deve dar uma pausa ao leitor. Todo o mundo profissional ainda não segue a linha da Marinha dos EUA.
Air
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Na verdade, eu não disse nada sobre se a cavitação ocorre ou não em água fervente, eu disse que a cavitação não produz fervura. mas de qualquer forma.
Joojaa 27/10/16
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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.

alephzero
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Obrigado! Acho que não podemos realmente separar engenharia da linguagem. Se você pegar um livro ou uma publicação e riscar "cavitação" e escrever "fervendo" em todos os lugares, ainda assim estará correto do ponto de vista da engenharia ou será rejeitado como errado? Quando fazemos e respondemos perguntas no stackexchange, e quando escrevemos e lemos livros e publicamos documentos, estamos usando a valiosa ferramenta da linguagem. O bom uso da linguagem na engenharia é essencial para a existência da engenharia. O mau uso da linguagem causa erros, erros e falhas.
uhoh
Esqueça o "uso comum (não científico)", você pode encontrar um exemplo técnico, revisado ou pelo menos bem respeitado, de ebulição e cavitação sendo usadas alternadamente em engenharia sem distinção?
uhoh
Obrigado pela sua resposta - tive que ajustar um pouco a redação da pergunta, porque foi apontado que eu realmente não afirmei uma pergunta clara, embora você obviamente tenha descoberto exatamente o que eu estava tentando perguntar de qualquer maneira !
uhoh
Neste vídeo de um elemento de aquecimento elétrico na água youtu.be/Lwk9Bi3j58o?t=105 entre 01:00 e 02:00, o som produzido pelo rápido colapso das bolhas fica cada vez mais alto, mas há poucas bolhas visíveis. O que está acontecendo é semelhante ao que você descreve em sua frase, se a palavra "pressão" for simplesmente alterada para "temperatura" - isso é cavitação ou fervura? " Se uma bolha de vapor começa a se mover através do fluido, logo chega a um ponto em que a pressão (temperatura) do fluido é mais alta ( mais baixa) e entra em colapso em um líquido. "
uhoh
Chamamos a água fervendo quando tudo está no estado de mudança de fase. Não chamamos água que seja localmente quente o suficiente para ferver, ferver. Ferve quando toda a massa está neste estado, ou pelo menos uma área substancial ferve. A cavitação @uhoh não está fazendo com que a água ferva muito localizada.
Joojaa 25/10/16
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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.

Ar
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Difícil argumentar com uma citação de um livro, mas essa definição não combina com nenhuma das línguas que ouvi. O que eles chamam de cavitação, eu chamaria de "piscando". Depois disso, concordo com sua resposta e acho que é muito bom. Apenas outra ressalva é que você não precisa necessariamente de uma superfície para ter cavitação, mas que se torna destrutivo se uma superfície estiver presente.
Byron Wall
@ByronWall Sure! Poderíamos ser mais explícitos ao dizer que a implosão se torna destrutiva se houver uma superfície presente. Ou ainda mais explícito, adicionando "a força resultante de" e assim por diante. Se estou discutindo alguma coisa, é que a terminologia representa ferramentas a serem selecionadas, não leis a serem obedecidas. No ensino médio, lembro-me de discutir se era mais correto dizer "energia potencial" ou "potencial de energia" - garoto, que perda de tempo foi essa! Focar a terminologia nesse caso estava me impedindo de superar um equívoco conceitual básico que eu tinha sobre energia.
Air
Meu comentário foi para dizer que você não precisa de uma superfície para ter cavitação. Este é um comentário na sua linha In a more restrictive sense, "cavitation" can mean only that subset of the former that occurs at relatively constant temperature, *in the presence of a solid interface*. Você pode recolher uma bolha sem superfície (por exemplo, interface sólida).
Byron parede
O ponto mais importante sobre a linguagem é que a cavitação tem um significado específico em alguns contextos. Se você for a uma fábrica de produtos químicos e perguntar como uma válvula de controle está operando, há uma diferença fundamental entre a formação de bolhas devido a uma queda de pressão (ou seja, piscar) e as mesmas bolhas que se desmoronam devido a uma recuperação de pressão subsequente (ou seja, cavitação). O mesmo vale para uma coluna de destilação ou um tambor flash. Ninguém diria que há cavitação no interior do vaso simplesmente porque um vapor (bolha) está sendo formado devido a uma diminuição na pressão. Isso está piscando.
Byron parede
@ByronWall Você está ficando um pouco preso no mato aqui - essas definições são consideradas exemplos mais ou menos arbitrários, não como As Duas Definições de Cavitação.
Air
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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.

Peter R. McMahon
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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.

RainerJ
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Um elemento de aquecimento elétrico imerso em água fria produzirá muito ruído devido à pequena formação de bolhas e colapso que é quase invisível, apesar de ser bastante audível. Mas não causa danos (significativos) devido à velocidade do colapso. Isso também é chamado de cavitação? Eu acho que pode ser, mas o colapso é devido a um gradiente térmico, não a um gradiente ou mudança de pressão hidrostática.
uhoh
Não, você perdeu o fundamental da cavitação: o líquido ferve também quando a pressão ao redor cai.
RainerJ
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Bolha em colapso quando perto da saída, onde a pressão aumenta. O impacto pelo colapso da bolha está na superfície, enquanto no aquecedor elétrico a bolha em colapso não afeta a superfície.
RainerJ
O ponto é: A ebulição ocorre quando a pressão do vapor líquido (na temperatura atual) excede a pressão ambiente.
RainerJ