過熱

熱力学において、過熱（沸騰遅延、沸騰遅延とも呼ばれる）とは、液体が沸騰することなく沸点よりも高い温度に加熱される現象である。これはいわゆる準安定状態またはメタ状態であり、外部または内部の影響によっていつでも沸騰が起こる可能性がある。^{[1] [2]}過熱は、核生成サイトのない清潔な容器内で均質な物質を加熱し、液体を乱さないように注意することで達成される。

これは、非常に滑らかな容器に入った水を電子レンジで加熱した場合に発生する可能性があります。水をかき混ぜると、危険な熱湯の噴出を引き起こし、火傷を負う可能性があります。^[3]

水蒸気の泡が際限なく成長し、表面で破裂すると、水は「沸騰」すると言われています。蒸気の泡が膨張するには、蒸気圧が周囲圧力 (主に大気圧) を超えるほどの温度が必要です。その温度より低いと、水蒸気の泡は収縮して消えます。

過熱はこの単純なルールの例外です。液体の蒸気圧が周囲の圧力を超えていても、液体が沸騰しないことが時々観察されます。その原因は、泡の成長を抑制する追加の力、表面張力です。 ^[4]

表面張力により、泡は弾力のある風船のように動作します。内部の圧力は、「皮膚」が収縮しようとするためわずかに上昇します。泡が膨張するには、表面張力と周囲圧力の両方を克服するのに十分な蒸気圧を発生させるために、温度を沸点よりわずかに高くする必要があります。

過熱が爆発的に起こる理由は、大きな泡の方が小さな泡よりも膨らませやすいからです。風船を膨らませるときに最も難しいのは、膨らませ始めることです。表面張力による過剰な圧力は、泡の直径に反比例することが判明しています。 ^[5]つまり、${\displaystyle \Delta p}$${\displaystyle d}$${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$

これは、泡を平面で 2 つに切ることを想像することで導き出せます。各半分は表面張力 によって中央に向かって引っ張られますが、この力は過剰圧力 による力と釣り合う必要があります。したがって が得られ、これは に簡略化されます。 ${\displaystyle F\propto \pi d}$${\displaystyle \Delta p\times (\pi d^{2}/4)}$${\displaystyle \Delta p(\pi d^{2}/4)\propto \pi d}$${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$

つまり、容器内の最大の気泡が小さく、直径がわずか数マイクロメートルの場合、表面張力を克服するには大きな が必要となり、沸点を数℃超えることが必要になる可能性があります。気泡が成長し始めると、表面張力の圧力が低下するため、正のフィードバック ループで爆発的に膨張します。実際には、ほとんどの容器には傷やその他の欠陥があり、それによって気泡の発生源となる空気のポケットが閉じ込められます。また、小さな粒子を含む不純な水も空気のポケットを閉じ込めることがあります。精製された液体の滑らかな容器だけが、確実に過熱できます。 ${\displaystyle \Delta p}$

過熱は、静置された容器の水が電子レンジで加熱されたときに発生する可能性があります。容器を取り出した時点では、核形成部位がないため沸騰が妨げられ、表面は穏やかになります。しかし、水がかき混ぜられると、一部は激しく蒸発して蒸気になり、容器から沸騰したお湯が噴き出す可能性があります。^[6]沸騰は、カップを揺すったり、かき混ぜる装置を挿入したり、インスタントコーヒーや砂糖などの物質を追加したりすることで誘発される可能性があります。滑らかな容器では、傷や欠けによって小さな空気のポケットが形成され、それが核形成点として機能するため、過熱の可能性が高くなります。静置された容器の加熱と冷却のサイクルが繰り返されると、過熱が発生する可能性が高くなります。たとえば、忘れられたコーヒーカップを電子レンジから取り出さずに再加熱した場合などです。これは、加熱サイクルによって溶媒から酸素や窒素などの溶解ガスが放出されるためです。電子レンジでの過熱を防ぐには、事前に容器にスプーンやかき混ぜ棒を入れたり、傷のある容器を使用したりする方法があります。危険な突然の沸騰を避けるため、水を電子レンジで長時間加熱しないことが推奨されます。^[3]

水素液体の過熱はバブルチャンバーで利用されます。

• 電子レンジで過熱された水が爆発的に沸騰する様子と、それが起こる理由、そしてそれが危険な理由を説明するビデオ。
• ブルームフィールド、ルイス A. 「バージニア大学の物理学教授ルイス A. ブルームフィールドが電子レンジで行った油膜付き過熱水実験シリーズ。実験 #13 は驚くほど激しく進行します」。2008 年 6 月 2 日のオリジナルからアーカイブ。
• 鍋の中の過熱水のビデオ。