爆発的な沸騰

熱力学において、爆発沸騰または相爆発とは、過熱された準安定液体が、蒸気泡の大規模な均質核生成により、爆発的な液体-蒸気相転移を起こし、安定した二相状態になる方法である。この概念は、1976年にMM Martynyuk ^[1]によって開拓され、その後、FuckeとSeydelによって発展させられました。^[2]

爆発沸騰はpT相図で最もよく説明できます。^[3]右の図は、物質の典型的なpT相図を示しています。バイノーダルラインまたは共存曲線は、特定の温度と圧力で液体と蒸気が共存できる熱力学的状態です。右側のスピノーダルラインは、溶液が複数の相に分解する絶対不安定性の境界です。典型的な加熱プロセスは赤インクで示されています。

加熱プロセスが比較的遅い場合、液体が平衡状態に緩和するのに十分な時間があり、液体がバイノーダル曲線に従う場合、クラウジウス-クラペイロンの関係は依然として有効です。この間、物質内で不均一な蒸発が発生し、不純物部位、表面、粒界などから気泡が核形成します。^[4]

一方、加熱プロセスが速すぎて、物質が不均一沸騰によってバイノーダル曲線に到達できない場合、液体は過熱され、所定の圧力で沸点を超える温度になります。次に、システムはバイノーダルから離れ、赤い曲線をたどり続け、スピノーダルに近づきます。臨界温度付近では、比熱などの熱力学的特性により、右の図に示すように密度が急速に変化します。密度とエントロピーは最も大きく変動します。この間、非常に小さな体積で大きな密度変動が発生する可能性があります。この密度の変動により、気泡の核生成が起こります。気泡の核生成プロセスは、物質のあらゆる場所で均一に発生します。臨界温度に近づくにつれて、気泡の核生成速度と蒸気球の成長速度は指数関数的に増加します。核生成が増加すると、システムがスピノーダルになるのを防ぎます。気泡の半径が臨界サイズに達すると、気泡は膨張し続け、最終的に爆発して、爆発沸騰または相爆発と呼ばれるガスと液滴の混合物になります。

当初、爆発沸騰は、金属の臨界温度を計算するためにマルティニュクによって使用されました。彼は電気抵抗を使用して金属線を加熱しました。その後、超高速フェムト秒レーザーアブレーションを使用しているときに爆発沸騰が発生することが発見されました。この種の爆発沸騰は、液体の温度が物質の臨界温度近くまで急速に上昇するメカニズムによって発生するはずです。

• 沸騰液体膨張蒸気爆発（BLEVE）
• 急速な相転移
• 水蒸気爆発