التسخين الفائق

في الديناميكا الحرارية ، يُعرف التسخين الفائق ( أو تأخير الغليان ) بأنه ظاهرة تسخين سائل إلى درجة حرارة أعلى من درجة غليانه دون أن يغلي . تُسمى هذه الحالة بالحالة شبه المستقرة ، حيث قد يحدث الغليان في أي وقت بفعل عوامل خارجية أو داخلية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ويتحقق التسخين الفائق بتسخين مادة متجانسة في وعاء نظيف خالٍ من مواقع التبلور ، مع الحرص على عدم تحريك السائل.

قد يحدث هذا عند تسخين الماء في الميكروويف داخل وعاء أملس للغاية. وقد يؤدي تحريك الماء إلى اندفاع الماء الساخن بشكل خطير، مما قد يسبب حروقًا . ^{[ 3 ]}

يُقال إن الماء "يغلي" عندما تنمو فقاعات بخار الماء بلا قيود، ثم تنفجر على السطح. ولكي تتمدد فقاعة البخار، يجب أن تكون درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي ليتجاوز ضغط البخار الضغط المحيط ( الضغط الجوي بشكل أساسي). أما إذا انخفضت درجة الحرارة عن ذلك، فإن فقاعة بخار الماء ستنكمش وتختفي.

يُعد التسخين الفائق استثناءً لهذه القاعدة البسيطة؛ إذ يُلاحظ أحيانًا أن السائل لا يغلي حتى وإن تجاوز ضغط بخاره الضغط المحيط. والسبب في ذلك قوة إضافية، هي التوتر السطحي ، الذي يمنع نمو الفقاعات. ^{[ 4 ]}

يُضفي التوتر السطحي على الفقاعة سلوكًا مشابهًا لبالون مرن. ويرتفع الضغط داخلها قليلًا نتيجة محاولة الغشاء الخارجي للانقباض. ولكي تتمدد الفقاعة، يجب رفع درجة الحرارة قليلًا فوق نقطة الغليان لتوليد ضغط بخار كافٍ للتغلب على كل من التوتر السطحي والضغط الجوي.

ما يجعل التسخين الفائق شديد الانفجار هو أن الفقاعة الأكبر حجماً أسهل في النفخ من الفقاعة الصغيرة؛ تماماً كما هو الحال عند نفخ بالون، فإن الجزء الأصعب هو البدء. اتضح أن الضغط الزائد${\displaystyle \Delta p}$بسبب التوتر السطحي، يتناسب القطر عكسياً${\displaystyle d}$من الفقاعة. ^{[ 5 ]} أي،${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$.

يمكن استنتاج ذلك من خلال تخيل طائرة تقطع فقاعة إلى نصفين. يتم سحب كل نصف نحو المنتصف بقوة التوتر السطحي.${\displaystyle F\propto \pi d}$، والتي يجب موازنتها بقوة الضغط الزائد${\displaystyle \Delta p\times (\pi d^{2}/4)}$وهكذا نحصل${\displaystyle \Delta p(\pi d^{2}/4)\propto \pi d}$، وهو ما يتبسط إلى${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$.

هذا يعني أنه إذا كانت أكبر الفقاعات في وعاء صغيرة، لا يتجاوز قطرها بضعة ميكرومترات، فإن التغلب على التوتر السطحي قد يتطلب كمية كبيرة من${\displaystyle \Delta p}$يتطلب ذلك تجاوز درجة الغليان بعدة درجات مئوية. بمجرد أن تبدأ الفقاعة بالنمو، ينخفض ​​ضغط التوتر السطحي، فتتمدد بشكل انفجاري في حلقة تغذية راجعة إيجابية. عمليًا، تحتوي معظم الأوعية على خدوش أو عيوب أخرى تحبس جيوبًا هوائية تُشكل الفقاعات الأولية، كما أن الماء غير النقي الذي يحتوي على جزيئات صغيرة قد يحبس جيوبًا هوائية أيضًا. فقط وعاء أملس يحتوي على سائل نقي يمكنه التسخين الفائق بشكل موثوق.

قد يحدث التسخين الفائق عند تسخين وعاء ماء غير مُحرَّك في فرن الميكروويف . عند إخراج الوعاء، يمنع غياب مواقع التبلور الغليان، مما يُبقي السطح هادئًا. ولكن بمجرد تحريك الماء، يتحول جزء منه فجأة إلى بخار ، وقد يتسبب ذلك في تناثر الماء المغلي خارج الوعاء. ^{[ 6 ]} يمكن تحفيز الغليان عن طريق هز الكوب، أو إدخال أداة للتحريك، أو إضافة مادة مثل القهوة سريعة التحضير أو السكر. تزداد احتمالية التسخين الفائق مع الأوعية الملساء، لأن الخدوش أو الشقوق قد تحتوي على جيوب صغيرة من الهواء، والتي تعمل كنقاط تبلور . يزداد احتمال التسخين الفائق بعد دورات تسخين وتبريد متكررة لوعاء غير مُحرَّك، كما هو الحال عند إعادة تسخين كوب قهوة منسي دون إخراجه من فرن الميكروويف. ويعود ذلك إلى أن دورات التسخين تُطلق غازات مذابة مثل الأكسجين والنيتروجين من المذيب. توجد طرق لمنع التسخين المفرط في فرن الميكروويف، مثل وضع ملعقة أو عصا للتحريك (مع ملاحظة أنه من غير الآمن استخدام أدوات معدنية لهذا الغرض) في الوعاء مسبقًا، أو استخدام وعاء مخدوش. ولتجنب الغليان المفاجئ الخطير، يُنصح بعدم تسخين الماء في الميكروويف لفترة طويلة جدًا. ^{[ 3 ]}

على الرغم من أن التسخين الفائق يُناقش غالبًا في سياق السوائل، إلا أنه يمكن أيضًا تسخين المواد الصلبة البلورية بشكل مؤقت فوق درجة انصهارها عند التوازن. وقد أشارت دراسات نظرية مبكرة إلى حد أقصى يبلغ حوالي ثلاثة أضعاف درجة حرارة الانصهار، ويُشار إليه أحيانًا باسم "كارثة الإنتروبيا"، والذي يصبح عنده الجسم الصلب غير مستقر ديناميكيًا حراريًا مقارنةً بالطور السائل. ^{[ 7 ]}

أشارت دراسات تجريبية لاحقة إلى بقاء المواد الصلبة فوق هذا الحد تحت التسخين فائق السرعة. فعلى سبيل المثال، لوحظ أن أغشية الذهب الرقيقة تحافظ على بنيتها البلورية لأكثر من بيكو ثانية عند تسخينها بمعدلات تصل إلى 10^ ¹⁵ كلفن/ثانية ^{تقريبًا} ، وهو ما يعادل درجات حرارة تقارب 14 ضعف نقطة الانصهار. يُعزى هذا الثبات إلى معدل التسخين الشديد وعدم قدرة الشبكة البلورية على التمدد على نطاق زمني بيكو ثانية. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

تُستخدم عملية التسخين الفائق لسائل الهيدروجين في غرف الفقاعات .

• فيديو يوضح غليان الماء الساخن جداً في الميكروويف بشكل مفاجئ وانفجاري، لماذا يحدث ذلك، ولماذا هو خطير.
• بلومفيلد، لويس أ. "سلسلة من التجارب على الماء فائق التسخين المغطى بغشاء زيتي، أجراها لويس أ. بلومفيلد، أستاذ الفيزياء بجامعة فرجينيا، في الميكروويف. التجربة رقم 13 تسير بعنف مفاجئ" . مؤرشفة من الأصل في 2 يونيو 2008.
• فيديو لماء شديد السخونة في قدر.