Qu'est-ce qui distingue fondamentalement la cavitation et l'ébullition en tant que phénomènes différents?

La cavitation et l'ébullition sont des noms de phénomène qui impliquent tous deux l'apparition soudaine de bulles de vapeur dans un liquide, et dans les deux cas, ils se produisent lorsque la pression hydrostatique locale est inférieure à la pression de vapeur du fluide, mais cela ne signifie pas nécessairement qu'ils sont la même chose.

Dans cette vidéo d'un élément chauffant électrique dans l'eau , entre 01h00 et 02h00, le son produit par l'effondrement rapide des bulles devient de plus en plus fort mais il y a peu de bulles visibles. Le processus qui produit ce son est-il considéré comme une ébullition ou une cavitation ? Quelle est la distinction?

J'ai laissé une réponse provisoire à la question connexe sur un autre site SE: Comment (en fait) les propergols sous-refroidis réduisent-ils la cavitation dans les turbopompes et facilitent-ils l'alimentation? Je ne pouvais pas me résoudre à accepter la réponse à cette question qui commence par l'affirmation, "la cavitation est en ébullition."

Bien qu'ils soient liés, qu'est - ce qui distingue fondamentalement la cavitation et l'ébullition en tant que phénomènes différents?

Ingénieur en mécanique ici, ancien nuke de l'US Navy. La définition classique de la cavitation est, d'après ma formation nucléaire:

"La formation et l'effondrement subséquent de bulles de vapeur lorsque la pression d'aspiration tombe en dessous puis monte au-dessus de la pression de saturation."

Cette définition fait référence à la pression d'aspiration comme dans une pompe, mais je dirais plus généralement et apparemment contre la plupart des autres affiches ici que la cavitation se réfère plus à la formation et à l'effondrement subséquent des bulles de vapeur qu'à la façon dont ces bulles de vapeur se produisent .

Maintenant, je comprends que l'effet de cavitation se produit généralement (ou est le plus discuté lorsqu'il se produit) dans les pompes et les hélices, mais il se produit également dans l'eau bouillante.

Lorsque vous portez de l'eau à ébullition, elle est initialement silencieuse et il n'y a pas de bulles. À un certain point de transition (ébullition nucléée), des bulles se forment au fond de la casserole, se détachent, mais s'effondrent avant d'atteindre la surface . Ce type d'ébullition (appelé mijotage en termes culinaires) peut être correctement appelé cavitation. C'est aussi une phase très bruyante dans le processus d'ébullition - c'est la période "bruyante" dans la vidéo d'OP.

Après la cavitation vient (pour la cuisson, au moins) la phase finale d'ébullition, dans laquelle le fluide en vrac bout et les bulles atteignent la surface de l'eau (départ de l'ébullition nucléée). Bien que l'ébullition semble être plus vigoureuse, cela est en fait beaucoup plus silencieux car la cavitation ne se produit plus .

La cavitation est le bruit de cliquetis qu'une marmite d'eau fait avant une ébullition complète. Une fois l'ébullition complète atteinte, les bulles de vapeur atteignent la surface et la qualité du son passe d'un cliquetis à un gargouillis.

Cela dit, il y a eu beaucoup de discussions sur d'autres articles sur l'ébullition, c'est-à-dire l'application de chaleur et la cavitation, sur la réduction de la pression. Encore une fois, la réduction de la pression (en dessous de la pression de saturation) est une cause de cavitation, mais la réduction de la pression n'est pas la définition de la cavitation.

Le terme pour créer des bulles de vapeur en réduisant la pression est appelé distillation flash ou évaporation flash . Le terme pour créer des bulles de vapeur en augmentant la chaleur est appelé ébullition .

Le terme cavitation fait référence à la formation et à l'effondrement subséquent des bulles de vapeur. La cavitation se produit dans des pompes, dans un pot d'eau spaghetti, dans une hélice sous-marine, etc. Elle n'est pas limitée à l'un ou l'autre mode de création (pression ou chaleur). La vidéo dans le post d'OP montre la cavitation pendant un processus d'ébullition.

:ÉDITER:

Je me suis senti mis au défi par le commentaire d' Air de produire une source pour la définition de la cavitation que j'ai fournie ici. La ligne que j'ai citée ci-dessus est telle qu'elle a été mémorisée il y a environ 15 ans maintenant. J'ai (sur une étagère à la maison) un document technique condensé d'informations non classifiées que nous avons reçues à la fin des cours de formation nucléaire pour référence personnelle. En essayant de trouver ce manuel en ligne, j'ai trouvé un site Web de publications techniques qui semble reproduire une partie du contenu qui nous a été enseigné dans le programme de formation sur l'énergie nucléaire.

Le premier volume de science mécanique a une section sur la cavitation qui dit,

Si la chute de pression est suffisamment importante, ou si la température est suffisamment élevée, la chute de pression peut être suffisante pour faire clignoter le liquide lorsque la pression locale tombe en dessous de la pression de saturation du fluide pompé. Toutes les bulles de vapeur formées par la chute de pression à l'œil de la roue sont balayées le long des aubes de la roue par l'écoulement du fluide. Lorsque les bulles pénètrent dans une région où la pression locale est supérieure à la pression de saturation plus loin de l'aube de la roue, les bulles de vapeur s'effondrent brusquement. Ce processus de formation et d'effondrement subséquent de bulles de vapeur dans une pompe est appelé cavitation.

(Je souligne) La définition qu'on nous a demandé de mémoriser (comme je l'ai citée en haut) est la version condensée de cette déclaration pour la reproduction aux examens.

Maintenant, il n'y a aucune source sur ce site Web particulier , où les volumes de référence sont ventilés par section, quant à l'origine de ce matériel, mais en haut de la page est donné le document du DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Vous pouvez consulter ce numéro et trouver le document intégralement affiché sur le site Web du ministère de l'Énergie , où ce passage se trouve à la page 12.

En outre, en ce qui concerne le commentaire sur "l'industrie ne respecte pas la ligne de l'US Navy", la copie hébergée sur le site Web du DOE comprend une préface et un aperçu qui indiquent que le matériel a été préparé avec la contribution de l'industrie nucléaire et est destiné à être utilisé dans la formation. opérateurs nucléaires. Donc, peut-être que certaines industries n'utilisent pas la définition de cavitation que j'ai fournie, mais l'industrie nucléaire le fait , et il semble (d'après le commentaire de Bryon Wall ) que l'industrie chimique le fait aussi.

Je pense que cela concerne plus le langage que la physique. Le phénomène physique de base - le changement de phase du liquide au gaz lorsque la pression de vapeur est égale à la pression hydrostatique dans le fluide - est le même pour l'ébullition et la cavitation.

Dans une utilisation courante (non scientifique), "ébullition" signifie chauffer le liquide jusqu'à ce que sa pression de vapeur soit égale à la pression interne du fluide. Dans la plupart des cas "non scientifiques", le chauffage se fait à une pression (approximativement) constante avec une interface entre le liquide et un gaz (par exemple l'eau et l'air), et le liquide vaporisé (vapeur) quitte le liquide et se mélange avec le gaz , transfert de chaleur du liquide au gaz.

Par contre, la "cavitation" est une réduction locale de la pression dans le liquide, à température (approximativement) constante. Comme pour l'ébullition, une partie du liquide se vaporise lorsque la pression du liquide est égale à la pression de vapeur, mais la vapeur ne peut s'échapper nulle part car le liquide environnant est à une pression plus élevée. Si une bulle de vapeur commence à se déplacer dans le fluide, elle atteint rapidement un point où la pression du fluide est plus élevée et elle s'effondre à nouveau dans un liquide.

Les ondes de pression soudaines dans le liquide, qui se créent lorsque les bulles s'effondrent, peuvent endommager les composants métalliques tels que les hélices, les turbines à eau, etc.

La réponse courte est que la cavitation et l'ébullition se réfèrent toutes deux à un changement de phase du liquide au gaz qui provoque la formation de bulles, où la cavitation est entraînée par une baisse de pression et l'ébullition est entraînée par une augmentation de la température. Pour une citation, voir Cavitation and Bubble Dynamics , page 1:

Une manière approximative mais utile de distinguer ces deux processus consiste à définir la cavitation comme le processus de nucléation dans un liquide lorsque la pression tombe en dessous de la pression de vapeur, tandis que l'ébullition est le processus de nucléation qui se produit [sic] lorsque la température est élevée au-dessus de la température vapeur / liquide saturée. Bien sûr, d'un point de vue physique de base, il y a peu de différence entre les deux processus ... Les différences entre les deux processus se produisent en raison des différents facteurs de complication qui se produisent dans un flux de cavitation d'une part et dans les gradients de température et les effets de mur qui se produisent en ébullition d'autre part.

Si vous voulez savoir comment cette distinction peut être utile, le texte intégral d'une ancienne édition du livre est disponible via le site Web de la bibliothèque Caltech. Trouver une édition plus récente à la bibliothèque ne devrait pas être difficile, étant donné que le travail a été cité près de 3000 fois selon Google Scholar.

La longue réponse commence par noter que cette citation ne prétend pas donner les seules définitions de la cavitation et de l'ébullition; il propose explicitement une façon de les définir comme deux processus «rugueux mais utiles». Je m'attends à ce que le Dr Brennen convienne qu'il existe des contextes dans lesquels d'autres définitions sont plus utiles.

Dans un sens très général, la "cavitation" peut signifier l'apparition spontanée de cavités (également appelées vides ou bulles) dans un liquide. Si vous recherchez comment différents matériaux ou géométries de surface favorisent ou suppriment la nucléation, cela pourrait être une définition plus utile pour vous que celle qui exclut le chauffage.

Dans un sens plus restrictif, la "cavitation" ne peut signifier que ce sous-ensemble du premier qui se produit à une température relativement constante, en présence d'une interface solide, qui implose plus tard et contribue à l'usure des composants mécaniques. Si vous construisez un système de propulsion pour un sous-marin, cela pourrait être une définition plus utile que l'un des deux précédents.

Le mot «ébullition» est antérieur à la thermodynamique moderne , nous ne devrions donc pas être surpris s'il est difficile à cerner. Nous pensons généralement à l'ébullition comme un processus impliquant des bulles, mais l' ébullition pelliculaire est une exception. ébullition.

D'un autre côté, les liquides sont également censés "bouillir" dans le vide (et voici une vidéo de cela , si vous êtes curieux - essayez de savoir où se produit la nucléation!). Pensez-vous que les gens de la NASA se soucient de savoir si l'ébullition nécessite de la chaleur lorsqu'ils travaillent pour atténuer les risques associés à la décompression explosive? Je ne.

Vous gagnez très peu en espérant ou en donnant l'attente d'une terminologie objectivement correcte. Si vous faites de la rédaction technique sur le sujet et avez l'intention de faire la distinction entre la cavitation et l'ébullition, expliquez simplement vos définitions. Faites preuve de diligence raisonnable pour vous assurer que vos définitions ne s'écartent pas significativement du consensus, ou bien construisez un argument très solide pour les soutenir.

Je vois, comme moi, vous voulez une réponse simple. Dans la bouilloire, l'eau est chauffée à ébullition autour de l'élément, mais pas l'eau environnante. La vapeur ne peut pas exister à moins de 100 ° C à la pression atmosphérique, donc lorsque la vapeur entre en contact avec l'eau plus froide, elle se condense immédiatement, ne laissant aucun effet d'amortissement, c'est donc comme du métal contre du métal.

La cavitation ne doit pas impliquer de vaporisation. Un liquide comme un fluide hydraulique, si l'entrée de la pompe est restreinte, des bulles de vide se forment. Parce qu'il n'y a pas d'air pour amortir l'impact, encore une fois, c'est comme du métal contre du métal. La pompe donne l'impression de croquer des copeaux de métal. Même s'il s'agit d'un liquide, il impacte comme le métal et fatiguera les pièces métalliques. Cela se produit également si le flux est sur une surface comme le côté d'une balle et qu'il n'y a pas assez de pression pour le maintenir en suivant la surface, ou s'il s'écoule du bord d'une surface comme une hélice. Le liquide est projeté hors de la surface et des bulles de vide se forment, puis s'effondrent sans amortissement, donnant un bruit de crépitement métallique et érodant les bords de l'hélice. C'est encore pire pour les sous-marins. Il dit "Me voici!" à l'ennemi. Vous pouvez démontrer l'effet avec un tuyau d'arrosage et un seau d'eau. Prenez-le dans un escalier. retirez les raccords et drapez le tuyau sur la main courante ou maintenez-le profondément dans le seau et commencez à siphonner l'eau, puis claquez votre doigt sur l'entrée. Vous verrez ici une légère fissure métallique de l'intérieur de la partie la plus haute du tuyau alors que l'eau continue de s'écouler, puis se refait contre elle-même.

Je suis un peu confus, si vous posez des questions sur la cavitation de la pompe alors mes ans: cavitation accentuée sur l'ébullition inverse (quand la vapeur revient au liquide, la bulle s'effondre). C'est à ce moment-là que l'action destructrice est effectuée, un impact de surface. C'est pourquoi les pièces de la roue sont endommagées près de la sortie.