Другие способы получения кавитации

Есть и другие способы получить кавитационные пузырьки — например, с помощью высокочастотного электроразряда или ультразвука. Однако в случае электрического разряда в конце концов всё сводится к тепловому и механическому аспектам воздействия искры на жидкость (нагрев и расширение паров). Ультразвук вызывает высокочастотные механические колебания в жидкости, поэтому непосредственной причиной появления кавитационных пузырьков является скоростной разрыв жидкости в ходе этих колебаний (амплитуда их очень мала, но благодаря высокой частоте мгновенная скорость и ускорения частиц жидкости могут достигать очень больших величин, достаточных для её скоростного разрыва). Поэтому можно сказать, что два рассмотренных выше механизма — скоростной (механический) и тепловой (термодинамический) — и являются основными механизмами возникновения кавитационных пузырьков.

Что внутри кавитационных пузырьков

Практически в любом учебнике можно прочитать, что пузырьки образуются за счёт растворённых в этой жидкости газов. Со всей уверенностью можно сказать, что это не так! Когда кавитационные пузырьки образуются за счёт скоростного разрыва потока, то в них — практически вакуум, пустота, давление, близкое к нулю (максимум — это равновесное давление паров жидкости, успевшей испариться со стенок пузырька при данной температуре, например, для воды при 17 °C это всего лишь 15 мм.рт.ст., менее 0.02 атм)! Дело в том, что свободные пузырьки в потоке жидкости движутся быстро, а время жизни их очень мало, — поэтому прямые измерения никто не проводил. Прямые измерения проводились лишь для квазистационарных областей разрежения в зоне кавитации, и там действительно присутствуют пары жидкости и выделившиеся из неё растворённые газы — область-то квазистационарная, и она собирает растворённые газы со всего огромного объёма жидкости, прошедшего по её границам за всё время её существования. Поэтому давление выделившихся растворённых газов там может быть вполне заметным, но, кстати, оно же не даст этой области мгновенно «схлопнуться» в случае исчезновения условий кавитации, — эти газы образуют хотя и сжавшуюся в размерах, но достаточно долгоживущую группу пузырей.

У пузырька в потоке благодаря мизерному времени жизни с его стенок может даже не успеть испариться количество жидкости, достаточное для создания равновесной концентрации паров, хотя скорость такого процесса весьма велика. Про «растворённые газы» в этом случае говорить вообще не приходится — за исключением каких-то особых случаев (например, предварительного насыщения ими жидкости при повышенном давлении) их количество в ближайших окрестностях пузырька исчезающе мало и при всём желании они не могут создать ощутимого давления внутри него (скажем, растворимость большинства газов в воде при нормальных условиях не превышает доли процента — каков будет их вклад в давление внутри внезапно образовавшейся полости?). С расстояния же чуть подальше такие газы просто не успеют диффундировать внутрь пузырька за ничтожное время его жизни, длящейся миллисекунды или доли миллисекунд. Молекулы и микропузырьки растворённых газов могут лишь являться «точками разрыва» жидкости, центрами возникновения, провоцирующими образование кавитационных пузырьков именно в данном месте, но никак не могут создать внутри них сколь-нибудь существенное давление! Поэтому с механической точки зрения обычно можно считать, что кавитационные пузырьки внутри потока являются областями вакуума — такого же, как тот, что возникает в «зоне отрыва» достаточно сильного «обычного» гидроудара и однозначно фиксируется приборами именно как почти абсолютный ноль давления.

При тепловом механизме образования пузырьков они существуют не за счёт внешнего разрежения, а за счёт высокого внутреннего давления паров. Это давление очень далеко от вакуума, а если говорить точнее — оно равно давлению окружающей пузырёк жидкости. Поэтому и здесь обычно нельзя утверждать, что существенную часть содержимого пузырька составляют растворённые в жидкости газы — он заполнен парами жидкости.

Тепловая и механическая кавитации — разные явления

Анализируя всё вышесказанное, я считаю, что скоростная и тепловая кавитации — это два разных явления, хотя и близкородственных, многие черты которых весьма похожи друг на друга. Но есть и принципиальные различия — прежде всего это давление и температура внутри пузырьков. В первом случае это очень низкое давление, близкое к абсолютному нулю, и весьма низкая температура, далёкая от температуры кипения жидкости при статическом давлении окружающей среды. Во втором случае это высокое давление паров внутри пузырька, практически равное статическому давлению окружающей жидкости, и высокая температура, близкая к температуре кипения при этом давлении.

В результате при тепловой кавитации схлопывание пузырька никогда не будет слишком интенсивным — высокое давление и температура паров внутри него будут тормозить этот процесс и дополнительно подпитываться теплом, выделяющимся при конденсации.

В то же время крайне низкое давление в пузырьках, образующихся при скоростном разрыве, мало препятствует их схлопыванию. Поэтому такое схлопывание будет гораздо более быстрым, чем при тепловой кавитации, а возникающие при этом локальные гидроудары — гораздо более интенсивными. Более того, использование жидкостей с низким парообразованием, например, различных масел, может обеспечить внутри таких пузырьков весьма высокую степень разрежения. Поскольку для получения «свободной энергии» наиболее перспективными представляются самые экстремальные условия, то основное внимание следует уделить именно этой, «механической», разновидности кавитации.

В соответствии с вышесказанным, я склонен считать «истинной кавитацией» лишь пузырьки-пустоты при скоростном разрыве, а тепловую кавитацию рассматривать как разновидность термодинамических процессов. Неудивительно, что и время роста, и время исчезновения «тепловых» пузырьков как минимум на один-два порядка превышает аналогичные времена при «скоростной» кавитации. Это различие принципиально, так же как принципиальна и практическая безвредность тепловой кавитации. Ни один чайник и ни одна кастрюля ещё не пострадали от тепловой кавитации как таковой. Накипь для них гораздо опаснее. Более того, хотя при «скоростной» кавитации повышение общей температуры жидкости и приводит к более интенсивному образованию кавитационных пузырьков, в силу большего внутреннего давления эти пузырьки становятся менее «злыми» и менее опасными.

Различие причин появления пузырьков при всей внешней схожести процессов приводит к существенно разным условиям и результатам. В дальнейшем на этой странице речь будет идти именно о «механической» низкотемпературной кавитации, и лишь иногда придётся упомянуть её тепловую «сестру».