倒啤酒的门道(三)
编辑:小杰 发布时间:2012/7/9 17:03:42 浏览次数:938 信息分类:
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为了研究空泡产生的机理及其作用,人们从上世纪就开始了理论与实验研究。1895年,英国建造了专门研究空泡问题的小型水洞,随后在本世纪20~30年代,英、德、法、苏、美等国相继建造了较大型的空泡水洞。同时理论研究也取得了相应的进展。
高速水流为什么会冒气泡?原来水在标准大气压下(一个大气压相当于101325Pa),温度达到100℃,水就会沸腾,“沸腾”就是水内部能冒气泡的现象。不同温度下,水沸腾的压强是不同的,这个压强称为饱和蒸气压,也称蒸气压。水在不同温度之下的饱和蒸气压为:
温度/℃ 0 20 40 60 80 100 120
蒸气压/Pa 600.66 2338.1 7381.2 14934 47377 101325 198490
由此可见,在压强为2338.1Pa时,水在20℃就开了,这种在常温下沸腾的现象,可以称作“冷沸腾”。在海拔4000米以上的高原地面,由于那里的气压低,沸点只有86℃,所以在那里煮东西不容易熟。在压强达到198 490Pa时,即约不到两个大气压时,水到120℃才开,这个压强差不多是通常高压锅的压强。
前面说过,流体高速运动,会造成局部压力减小,特别是高速舰船、螺旋桨、鱼雷等在水中运动时,会造成局部水的压强很大,达到常温下的蒸气压。这就是高速航行水中产生气泡的原因。
一旦产生了空泡现象,阻力就会加大,产生气泡会消耗大量的能量。所以船速再也上不去了。如果不采取对空泡问题的特殊对策,那么大部分大船速度将超不过26节(约14米/秒)。
然而空泡对航海带来的危害还不止如此,问题是空泡在低压区形成后,随着流动流到高压区,在那里压力增高,空气泡无法存在而闭合。空气泡闭合会造成类似于爆炸的高压,甚至会达到100000大气压。在这种大气压下,任何金属材料都会被破坏,于是螺旋桨很快便被空泡咬得百孔千疮。类似的问题在大型水电站与大型水坝上也产生过,泄流洞水速高了,水泡可以侵蚀洞壁,水电站涡轮机叶片可以在几天之内被水泡吃掉数十毫米厚。
水滴石穿,不间断的水滴可以将坚硬的石头打穿。起先,人们认为是由于水流长时间冲刷造成的,原来也是由于空泡在起作用。随着高速摄影机的发展,有人以每秒1500张的摄影机对准液滴“着陆”的地方。液滴由圆而扁然后四散溅开,就在这一瞬间在液滴中心附近的一些局部流速相当大,足以达到产生空泡的低压。于是空泡逐渐将坚硬的石头咬去。在涛涛流动的江河中,流水拍击岩岸,“乱石穿空、惊涛裂岸”,水的这种作用,恐怕也是空泡在作怪。
细心的读者可能已注意到:将一杯刚煮开的水泼到地面,听到的是噗地一响,而冷水泼到地面,则听到清脆的啪地一响。这响声的不同也是由于气泡。如果你将一杯新鲜的啤酒泼向地面,响声同泼开水一样。刚煮开的水近于100℃,往地下一泼,水与地面冲击,流体的局部速度较大,因而压强减小,这个小的压强会使流体重新沸腾起来,在地面与水之间隔着一层气泡当然与没有气泡听起来响声不同了,而冷水向地面冲击时局部压强降低不足以使流体沸腾。
拿一把铝壶,烧一壶开水,当水滚开时,你一只手将壶提下炉子并轻轻将壶底放在另一只手上。这时你竟然会发现,这只手可以托起整个茶壶而不感到烫手。这又是水泡在起作用。原来刚烧开的壶底壁上爬着一层细微的水泡。它隔热性能很好,当你用手托壶底时,壶底铝的热容量较小,很快与手温平衡,而壶中水的热量却由于一层气泡的隔热,使手不感到发烫。不信请试试。
本世纪初,人们逐渐认识了超声现象。1917年法国科学家郎之万发明了压电晶体超声波发生器,之后超声波进入了应用研究阶段。值得注意的是,超声波在水中传播引起水的局部高频振荡,这种振荡产生的负压足以产生空泡,从而使超声波在清洗零件,乳化,加速化学反应与粉碎方面得到广泛应用。
也正好是在1917年,英国学者瑞利,首先计算了不可压流体中球形空泡闭合时,可以在中心造成无穷大的压强。当液体是可压时,这个压力虽不是无穷大,但仍非常大。
对空泡的认识至此却远没有终止。早在60年前,人们就发现当把超声波通到水中,顷刻之间水中可以发出光来。这个现象一直没有得到合理的解释。直到1959年人们才论证,光是由空泡破灭时产生能量集中所发出来的。
据较近英国《新科学家》杂志报道,近几年来,人们逐渐用更的模型来计算这一现象。先后有3个美国人得到了不同的结果。1986年一个美国人算出气泡破灭可以造成5000K的高温,1993年又有人改进计算,说是可以达到7000K的高温,这已经是太阳表面的温度了。到1994年11月美国我国声学会议上,有人宣布用精细模型并用计算机算得,气泡破灭时的温度可以达到2 000 000K,这个温度是聚变热核反应所需温度的一半。
如果这些计算理论是对的,我们又能够依靠近代技术去实现的话,说不定空泡还是一条通向可控热核反应的可行途径呢! 这是一个多么诱人的前景啊!退一步讲,即使达不到所计算的高温,人们不是也可以利用这一超常的高温去开辟许多新的应用领域吗!
啤酒冒气泡可以带来美味,也可以带来麻烦。同样,空泡可以是危险分子,也可以为人类工作。天下大事,有一利必有一弊。而怎样除弊兴利,全靠对它的机理有的了解。倒啤酒尚且如此,对待空泡更如是。
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