过热状态

2021-04-01 15:16:53 浏览:1020

定义

过热状态,指把物质加热到通常发生物态变化的温度以上而仍不出现这种物态变化的状态。如过热液体,是指液体被加热到高于其沸点的温度而没有沸腾的现象。其处于亚稳态,如果略有扰动,则液体立即强烈沸腾,其温度即降到与其所受压强相应的沸点[1]

原理

当水蒸气毫无约束地在水面上膨胀时,水就被称为“沸腾”。要使蒸汽泡膨胀,温度必须足够高,使蒸汽压超过环境压力(主要是大气压力)。低于这个温度,水蒸气泡就会缩小并消失。

过热是这个简单规则的一个例外,有时观察到,即使液体的蒸汽压确实超过环境压力,它也不会沸腾。原因是一种额外的力量,表面张力,它抑制气泡的增长。

图 1 为了使沸腾发生,蒸汽压力必须超过环境压力加上少量由表面张力引起的压力。

表面张力使气泡像一个橡胶气球(更准确地说,一个充气不足的气球,使橡胶仍然有弹性)。当“皮肤”试图收缩时,内部的压力会略微升高。为了使气泡膨胀,温度必须略高于沸点,以产生足够的蒸汽压来克服表面张力和环境压力。使过热如此具有爆炸性的原因是,一个大的气泡比一个小的气泡更容易膨胀;就像吹气球一样,最难的部分是开始。结果表明,由表面张力引起的压力与气泡的直径成反比,这意味着如果容器中最大的气泡直径只有几微米,克服表面张力可能需要超过几摄氏度的温度。一旦气泡开始增长,由于表面张力造成的压力减小,所以它爆炸性地膨胀。实际上,大多数容器有划痕或其他瑕疵,它们会提供起始气泡,但只有微小气泡的液体容器便会显著过热[2]

微波炉中的过热现象

当无划痕和瑕疵容器在微波炉中加热时,会发生过热现象。一旦受到干扰,其中一些水突然蒸发,可能会有沸水从容器中喷出。

沸腾可以通过搅拌杯子,插入搅拌装置,或添加速溶咖啡或糖等物质来触发。光滑的容器中的液体更容易过热,因为划痕或碎片可储存气泡。当无划痕的容器重复加热和冷却时,过热更可能发生。例如,当忘记的咖啡杯被重新加热而未被从微波炉中移除时。这是由于循环加热了从溶剂中释放溶解的气体,如氧气和氮气。

有许多方法可以防止微波炉过热,比如把冰棒放在玻璃杯里,或者使用有划痕的容器。

过热液滴

1998年,Apfel[3]提出了一种过热的液滴,当液滴在体内循环时,可以通过电离辐射或超声激活汽化为具有高回声性的微泡,以增强诊断能力和药物递送能力。这种液滴核为全氟化碳(PFC),碳氟化合物是用于医学超声的理想化合物,因为它们在水中的溶解度低并且无毒。以沸点为29  °C 的PFC 5为例,在稳定的表面活性剂的包被下,形成的纳米液滴粒径小于500nm,即使在环境温度稍高于沸点的体内,由于表面活性剂的拉普拉斯压力作用也可防止液滴蒸发,因此这类液滴被称为过热液滴。过热液滴可以通过超声波激发汽化成较大体积的微泡,该微泡稳定且不会返回到液体乳液状态,因为其较大的直径会降低拉普拉斯压力的作用[4]

参考文献

[1] 赵克健.现代药学名词手册:中国医药科技出版社,2004
[2] 董元彦,路福绥,唐树戈,郑新生.物理化学(第8版):科学出版社有限责任公司,2016
[3] Apfel RE, inventor; Apfel Enterprises, Inc., assignee. Activatable infusable dispersions containing drops of a superheated liquid for methods of therapy and diagnosis. United States patent US 5,840,28 1998 Nov
[4] Pitt W G , Singh R N , Perez K X , et al. Phase transitions of perfluorocarbon nanoemulsion induced with ultrasound: A mathematical model[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(2):879-891.

超声成像

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