Apa yang secara fundamental membedakan kavitasi dan mendidih sebagai fenomena yang berbeda?

Kavitasi dan pendidihan adalah nama-nama untuk fenomena yang keduanya melibatkan penampakan mendadak gelembung-gelembung uap dalam suatu cairan, dan dalam kedua kasus itu terjadi ketika tekanan hidrostatik lokal lebih rendah daripada tekanan uap fluida, tetapi itu tidak selalu berarti hal yang sama.

Dalam video elemen pemanas listrik dalam air , antara pukul 01:00 dan 02:00, suara yang dihasilkan oleh keruntuhan gelembung yang cepat menjadi semakin keras tetapi ada beberapa gelembung yang terlihat. Apakah proses yang menghasilkan suara ini dianggap mendidih atau kavitasi ? Apa perbedaannya?

Saya telah meninggalkan jawaban sementara untuk pertanyaan terkait di situs SE lain: Bagaimana (sebenarnya) propelan sub-cooled mengurangi kavitasi dalam pompa turbo dan membuat pakan lebih mudah? Saya tidak dapat menerima jawaban atas pertanyaan yang dimulai dengan klaim, "kavitasi mendidih."

Meskipun mereka terkait, apa yang secara mendasar membedakan kavitasi dan mendidih sebagai fenomena yang berbeda?

Insinyur mesin di sini, mantan nuke Angkatan Laut AS. Definisi buku teks tentang kavitasi adalah, dari pelatihan nuklir saya:

"Pembentukan dan keruntuhan selanjutnya dari gelembung-gelembung uap ketika tekanan hisap turun di bawah dan kemudian naik di atas tekanan saturasi."

Definisi ini mengacu pada tekanan isap seperti pada pompa, tetapi saya akan mengatakan secara lebih umum dan tampaknya terhadap sebagian besar poster lain di sini bahwa kavitasi lebih mengacu pada pembentukan dan keruntuhan selanjutnya dari gelembung uap daripada tentang bagaimana gelembung-gelembung uap itu terjadi .

Sekarang, saya mengerti bahwa efek kavitasi umumnya terjadi (atau paling sering dibahas ketika terjadi) di pompa dan baling-baling, tetapi juga terjadi pada air mendidih.

Ketika Anda membawa air mendidih, awalnya tenang dan tidak ada gelembung. Pada beberapa titik transisi (nukleasi mendidih), gelembung terbentuk di bagian bawah panci, melepaskan diri, tetapi runtuh sebelum mencapai permukaan . Jenis mendidih ini (disebut sebagai didihkan dalam istilah kuliner) dapat dengan benar disebut sebagai kavitasi. Ini juga merupakan fase yang sangat bising dalam proses perebusan - ini adalah periode "berisik" dalam video OP.

Setelah kavitasi datang (untuk memasak, setidaknya) fase mendidih akhir, di mana cairan curah mendidih dan gelembung mencapai permukaan air (keberangkatan dari pendidihan nukleasi). Meskipun mendidih tampaknya lebih kuat, ini sebenarnya jauh lebih tenang karena kavitasi tidak lagi terjadi .

Kavitasi adalah suara pingiran yang dibuat oleh panci air sebelum mendidih. Setelah mendidih penuh tercapai, gelembung uap mencapai permukaan dan kualitas suara berubah dari ping ke lebih banyak gurgle.

Semua itu mengatakan, ada banyak pembicaraan di posting lain tentang mendidih menjadi aplikasi panas dan kavitasi tentang pengurangan tekanan. Sekali lagi, pengurangan tekanan (di bawah tekanan saturasi) adalah penyebab kavitasi, tetapi pengurangan tekanan bukanlah definisi kavitasi.

Istilah untuk membuat gelembung uap dengan mengurangi tekanan disebut flash distilasi atau penguapan flash . Istilah untuk membuat gelembung uap dengan meningkatkan panas disebut mendidih .

Istilah kavitasi mengacu pada pembentukan dan keruntuhan selanjutnya dari gelembung-gelembung uap. Kavitasi terjadi di pompa, di panci air spageti, di baling-baling kapal selam, dll. Tidak terbatas pada mode pembuatan (tekanan atau panas). Video dalam pos OP menunjukkan kavitasi selama proses perebusan.

: EDIT:

Saya merasa tertantang oleh komentar Air untuk menghasilkan sumber definisi kavitasi yang saya berikan di sini. Baris yang saya kutip di atas sudah dihafal sekitar 15 tahun yang lalu sekarang. Saya memiliki (di rak buku di rumah) selebaran teknis terkondensasi dari informasi non-rahasia yang diberikan pada akhir kursus pelatihan nuklir untuk referensi pribadi. Dalam mencoba menemukan manual ini secara online, saya menemukan situs web publikasi teknis yang tampaknya mereproduksi beberapa konten yang kami ajarkan dalam program pelatihan tenaga nuklir.

Volume ilmu mekanik pertama memiliki bagian tentang kavitasi yang menyatakan,

Jika penurunan tekanan cukup besar, atau jika suhu cukup tinggi, penurunan tekanan mungkin cukup untuk menyebabkan cairan berkedip menguap ketika tekanan lokal turun di bawah tekanan saturasi untuk cairan yang dipompa. Setiap gelembung uap yang terbentuk oleh penurunan tekanan di mata baling-baling tersapu di sepanjang baling-baling baling-baling oleh aliran fluida. Ketika gelembung memasuki suatu daerah di mana tekanan lokal lebih besar dari tekanan saturasi lebih jauh dari baling baling impeller, gelembung uap tiba-tiba runtuh. Proses pembentukan dan keruntuhan selanjutnya dari gelembung-gelembung uap dalam sebuah pompa disebut kavitasi.

(Penekanan ditambahkan) Definisi yang kami perintahkan untuk menghafal (seperti yang saya kutip di atas) adalah versi ringkas dari pernyataan ini untuk reproduksi pada ujian.

Sekarang, tidak ada sumber di situs web khusus ini , di mana volume referensi dibagi berdasarkan bagian, mengenai dari mana bahan ini berasal, tetapi di bagian atas halaman diberikan dokumen DOE "DOE-HDBK-1018/1".

Anda dapat melihat nomor itu dan menemukan dokumen yang diposting secara lengkap di situs web Departemen Energi , di mana petikan itu dapat ditemukan di halaman 12.

Lebih lanjut, mengenai komentar tentang "industri yang tidak sejalan dengan Angkatan Laut AS," salinan yang dihosting di situs web DOE termasuk kata pengantar dan tinjauan umum yang menyatakan bahwa bahan tersebut disiapkan dengan masukan dari industri nuklir dan dimaksudkan untuk digunakan dalam pelatihan operator nuklir. Jadi, mungkin beberapa industri tidak menggunakan definisi kavitasi yang saya berikan, tetapi industri nuklir yang melakukannya , dan sepertinya (dari komentar Bryon Wall ) bahwa industri kimia juga melakukannya.

Saya pikir ini lebih tentang bahasa daripada fisika. Fenomena fisik dasar - perubahan fasa dari cair ke gas ketika tekanan uap sama dengan tekanan hidrostatik dalam fluida - sama dengan mendidih dan kavitasi.

Dalam penggunaan umum (non-ilmiah), "mendidih" berarti memanaskan cairan sampai tekanan uapnya sama dengan tekanan internal fluida. Dalam kebanyakan kasus "non-ilmiah", pemanasan dilakukan pada (sekitar) tekanan konstan dengan antarmuka antara cairan dan gas (misalnya air dan udara), dan cairan (uap) yang diuapkan meninggalkan cairan dan bercampur dengan gas. , mentransfer panas dari cairan ke gas.

Di sisi lain "kavitasi" adalah reduksi lokal dari tekanan dalam cairan, pada suhu yang konstan. Seperti halnya dengan pendidihan, beberapa cairan menguap ketika tekanan cairan sama dengan tekanan uap, tetapi uapnya tidak dapat keluar di mana pun karena cairan di sekitarnya berada pada tekanan yang lebih tinggi. Jika gelembung uap mulai bergerak melalui cairan, itu segera mencapai titik di mana tekanan fluida lebih tinggi, dan itu runtuh kembali menjadi cairan.

Gelombang tekanan mendadak dalam cairan, yang tercipta ketika gelembung runtuh, dapat menyebabkan kerusakan pada komponen logam seperti baling-baling, turbin air, dll.

Jawaban singkatnya adalah bahwa kavitasi dan pendidihan keduanya mengacu pada perubahan fasa dari cair ke gas yang menyebabkan gelembung terbentuk, di mana kavitasi didorong oleh penurunan tekanan dan pendidihan digerakkan oleh peningkatan suhu. Untuk kutipan, lihat Cavitation and Bubble Dynamics , halaman 1:

Cara kasar tetapi bermanfaat untuk membedakan kedua proses ini adalah mendefinisikan kavitasi sebagai proses nukleasi dalam cairan ketika tekanan turun di bawah tekanan uap, sementara mendidih adalah proses nukleasi yang terjadi ketika suhu dinaikkan di atas uap jenuh / suhu cair. Tentu saja, dari sudut pandang fisik dasar, ada sedikit perbedaan antara dua proses ... Perbedaan dalam dua proses terjadi karena berbagai faktor rumit yang terjadi dalam aliran kavitasi di satu sisi dan dalam gradien suhu dan efek dinding yang terjadi saat merebus.

Jika Anda ingin tahu bagaimana perbedaan ini dapat bermanfaat, teks lengkap dari edisi buku yang lebih lama tersedia melalui situs web perpustakaan Caltech. Menemukan edisi yang lebih baru di perpustakaan seharusnya tidak sulit, mengingat karya tersebut telah dikutip hampir 3.000 kali menurut Google Cendekia.

Jawaban panjang dimulai dengan mencatat bahwa kutipan ini tidak berpura-pura memberikan satu - satunya definisi kavitasi dan mendidih; secara eksplisit mengusulkan satu cara untuk mendefinisikan mereka sebagai dua proses yang "kasar tetapi bermanfaat." Saya berharap Dr. Brennen akan setuju bahwa ada konteks di mana definisi lain lebih berguna.

Dalam arti yang sangat umum, "kavitasi" dapat berarti penampilan rongga spontan (juga dikenal sebagai void atau gelembung) dalam cairan. Jika Anda sedang meneliti bagaimana berbagai bahan atau geometri permukaan mempromosikan atau menekan nukleasi, ini mungkin definisi yang lebih berguna bagi Anda daripada yang tidak termasuk pemanasan.

Dalam arti yang lebih terbatas, "kavitasi" hanya dapat berarti bahwa himpunan bagian dari yang sebelumnya terjadi pada suhu yang relatif konstan, dengan adanya antarmuka yang solid, yang kemudian meledak dan berkontribusi untuk dipakai pada komponen mekanis. Jika Anda sedang membangun sistem propulsi untuk kapal selam, ini mungkin definisi yang lebih berguna daripada salah satu dari dua kapal selam sebelumnya.

Kata "mendidih" sudah ada sebelum termodinamika modern sehingga kita tidak perlu heran jika sulit untuk dijabarkan. Kami biasanya menganggap mendidih sebagai proses yang melibatkan gelembung tetapi mendidih film adalah pengecualian — jelas orang-orang yang meneliti apa yang terjadi ketika Anda menerapkan satu ton panas pada antarmuka padat / cair berpikir bahwa berguna untuk menempatkan fenomena ini dalam kategori yang sama dengan nukleat mendidih.

Di sisi lain, cairan juga dikatakan "mendidih" dalam ruang hampa (dan inilah video tentang itu , jika Anda penasaran - cobalah untuk mencari tahu di mana nukleasi terjadi!). Apakah Anda pikir orang-orang di NASA peduli apakah mendidih membutuhkan panas ketika mereka bekerja untuk mengurangi risiko yang terkait dengan dekompresi eksplosif? Bukan saya.

Anda mendapatkan sangat sedikit dengan mengharapkan, atau memberikan harapan, terminologi yang benar secara objektif. Jika Anda melakukan beberapa penulisan teknis pada subjek dan berniat untuk membedakan antara kavitasi dan perebusan, cukup buat definisi Anda secara eksplisit. Lakukan uji tuntas Anda untuk memastikan bahwa definisi Anda tidak jauh berbeda dari konsensus, atau buat argumen yang sangat kuat untuk mendukungnya.

Saya mengerti, seperti saya, Anda menginginkan jawaban sederhana. Dalam ketel, air dipanaskan hingga titik didih di sekitar elemen, tetapi air di sekitarnya tidak. Uap tidak dapat eksis pada suhu kurang dari 100 ° C pada tekanan atmosfer, jadi ketika uap menyentuh air yang lebih dingin, uap itu langsung mengembun, tidak meninggalkan efek bantalan, jadi seperti logam terhadap logam.

Kavitasi tidak harus melibatkan penguapan. Cairan seperti cairan hidrolik, jika saluran masuk pompa dibatasi, gelembung vakum terbentuk. Karena tidak ada udara di dalamnya untuk menahan benturan, sekali lagi, itu seperti logam melawan logam. Pompa terdengar seperti serutan logam yang berderak. Meskipun itu cairan, itu berdampak seperti logam & akan melelahkan bagian logam. Ini juga terjadi jika aliran melewati permukaan seperti sisi bola & tidak ada tekanan yang cukup untuk menjaganya mengikuti permukaan, atau mengalir dari tepi permukaan seperti baling-baling. Cairan terlempar dari permukaan dan gelembung-gelembung vakum terbentuk, kemudian runtuh tanpa bantalan, memberikan suara retakan logam dan mengikis tepi baling-baling. Lebih buruk lagi bagi kapal selam. Bunyinya, "Aku di sini!" kepada musuh. Anda dapat menunjukkan efeknya dengan selang taman & seember air. Naik tangga. lepaskan alat kelengkapan, dan gantungkan selang di atas pegangan atau pegang jauh-jauh di dalam ember dan mulailah menyedot air, kemudian banting jari Anda di atas lubang masuk. Di sini Anda akan menemukan retakan logam yang samar dari bagian dalam selang yang paling tinggi saat air terus mengalir, lalu terbanting kembali.

Saya agak bingung, jika Anda bertanya tentang kavitasi pompa maka ans saya: kavitasi ditekankan pada rebusan terbalik (ketika uap kembali menjadi cair, gelembung yang runtuh). Saat itulah tindakan destruktif dilakukan, muncul pelampiasan. Itu sebabnya bagian baling-baling rusak dekat keluar.