为什么液体在真空中不会飞溅?

液体在真空中也会飞溅;飞溅取决于气流、沸腾和表面扰动,而不是有没有空气本身。

直接答案

液体在真空中确实会飞溅。变化的是原因:没有周围空气时,飞溅较少由困住的气体驱动,更多由沸腾、向液体中注入气体或表面扰动引起。某种液体是否飞溅取决于这些条件,而不只取决于真空 [1][3]。

4篇文献引用

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真空并不会让飞溅消失

认为液体在真空中会保持平静,是一种误解。在工业真空设备中,飞溅是公认的问题,工程师们一直在努力抑制它。例如,在钢水真空精炼中,气流过大可能把液滴抛到真空室壁上,液滴在那里凝固,迫使人们进行昂贵的清理 [3]。在液体食品的真空冷却中,液滴可能从产品中损失,实验人员将其测量为“无效水分损失率”,并设法降低它 [1]。如果真空真能阻止飞溅,这两个问题都不会存在。

所以,对“为什么液体在真空中不会飞溅?”的诚实回答是:这个前提错了。更有用的问题是:周围没有空气时,究竟是什么在驱动飞溅?证据指向几种不同的机制。

抛起液滴的是气体和沸腾,不是空气

在许多真空工艺中,会有意让气体通过液体鼓泡。在钢液脱气装置中,上升的提升气体穿过熔体时会扰动表面;流量过高时,这种扰动就变成飞溅 [3]。研究人员测试了在总气量相同的情况下采用不同的气体注入方式,在真空室侧壁和底部增加了喷嘴。侧吹改变了内部流动模式,减少了表面波动;底吹则形成中心气柱,抑制了流体运动 [3]。这说明,飞溅取决于气体如何在液体中运动,而不是上方有没有大气。

第二条途径是沸腾。在热液体食品的真空冷却中,降低压力会使水剧烈蒸发,由此产生的活动可能把液滴抛出来;该研究改变了溶液与容器的体积比、开口面积以及起始和终止温度,以找出使这种损失最小的条件 [1]。他们报告的模式是:初始温度越高,无效水分损失率越小;终止温度为 25 °C 时损失最低 [1]。这些是经验性的操作发现,而不是完整的物理解释,但它们表明,真空中的液滴损失是可以通过温度和几何结构来调节的。

在极端条件下,电力可以把液体撕开

还有一种机制与沸腾或吹入气体无关。在真空电弧放电中,电流通过电极之间的金属蒸气,阴极斑点处的液态金属可能被破碎并作为液滴向外抛出。一项建模研究把这种壁面破碎归因于普拉托型不稳定性,也就是把细液流破碎成液滴的同类过程,并类比了液滴撞击平坦固体表面的情形 [2]。这是一种特殊的高能情形,但它证实了总体观点:真空并不能保护液体表面不被破坏。

这个答案在实际中为什么重要

对于设计真空设备的人来说,实际启示是:飞溅控制是一个有多个调节手段的设计问题。你可以改变气体的引入方式,比如在钢液脱气装置中使用侧壁或底部喷嘴 [3];你可以在真空冷却中调整温度和开口几何结构 [1];在钢水真空脱氧中,据报道,从中低氧水平开始工艺有利于稳定、低飞溅的运行 [4]。这些解决办法都不涉及把空气重新加回去。

真正尚未确定的是,在任何给定系统中,这些机制之间的精确平衡。食品冷却研究确定了减少液滴损失的操作条件,但没有解决底层物理问题 [1],而电弧模型针对的是一个非常具体的电学情形 [2]。不过,更全面的图景是一致的:真空中的飞溅是真实存在的,它由沸腾、注入气体、表面不稳定性和工艺条件决定,而不是由液体上方的空无一物决定。

本文引用的文献

1

高温液体食品真空冷却的实验与机理分析

在液体食品的真空冷却中,液滴损失取决于溶液与容器的体积比、开口面积以及初始和终止温度;初始温度较高、终止温度为 25 °C 时,无效水分损失较低。

2

真空电弧放电阴极斑点处液态金属飞溅的模型

一个真空电弧放电模型把阴极斑点处的液态金属飞溅归因于普拉托型壁面破碎,类似于液滴撞击固体表面。

3

电工钢生产用 Ruhrstahl–Heraeus(RH)脱气装置中真空室与上升管联合吹气的流动性能

在 RH 真空脱气装置中,提升气体过量会导致钢水飞溅到真空室壁上,而改变吹气方式(侧壁或底部喷嘴)可减少表面波动并抑制飞溅。

4

钢水真空最终碳脱氧过程中低飞溅深脱氧窗口的两阶段传质动力学与控制

在钢水真空最终碳脱氧过程中,据报道,从中低氧水平开始有利于稳定、低飞溅的运行。