Пузырьки в воде: Из-за чего в воде появляются пузырьки воздуха

Из чего образуются пузыри при закипании воды?

Общие знания

06.10.2021

1 514 3 минут чтения

Если вы когда-нибудь кипятили воду, то наверняка заметили, что при нагревании воды образуются очень маленькие пузырьки, которые поднимаются снизу вверх. Сначала пузырьки немногочисленны, но по мере нагревания воды начинает образовываться все больше пузырьков больших размеров. Дальнейшее повышение температуры приводит к появлению еще более крупных пузырьков, которые образуются довольно часто и сразу же поднимаются вверх. Эта эскалация достигает пика, когда вода начинает кипеть.

Но почему кипящая вода образует пузырьки?

Ответ на этот вопрос связан с химией самой воды. Точнее, это связано со всеми растворенными в воде веществами, а также с характером связи между молекулами воды.

Химические свойства молекул воды

Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Оба атома H ковалентно связаны с единственным атомом O. Каждый элемент в природе стремится достичь состояния с минимально возможной энергией. Это состояние достигается путем потери или приобретения электронов для достижения ближайшей конфигурации инертного газа.

Иллюстрация молекулы воды

Атом кислорода имеет шесть электронов в своей валентной (внешней) оболочке. Ближайший инертный газ, неон, имеет восемь электронов в своей валентной оболочке. Таким образом, O имеет сильную тенденцию получить два электрона и достичь стабильной электронной конфигурации (перейти в состояние с наименьшей энергией). Водород имеет один электрон в своей валентной оболочке, в то время как ближайший благородный газ, гелий, имеет два электрона на своей валентной оболочке. Таким образом, H стремится получить один электрон, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации.

Оба атома H делят по одному электрону с O, а O делит два электрона, по одному на каждый H. Это ковалентная связь. Кислород имеет сильную тенденцию притягивать к себе общие электроны благодаря свойству, называемому электроотрицательностью. Таким образом, электроны проводят больше времени возле атома O, чем возле атома H, что приводит к частичному отрицательному заряду на O и частичному положительному заряду на H.

Геометрия молекулы воды такова, что заряды не компенсируются, и есть разделение центров заряда (поляризация). Когда две молекулы воды с небольшой поляризацией приближаются друг к другу, частично отрицательный O одной молекулы притягивает частично положительный H другой молекулы, образуя слабую межмолекулярную связь. Это называется водородной связью, и это сила, отвечающая за удержание молекул воды вместе.

Визуализация водородной связи.

Поскольку водородная связь слабая, вода остается жидкой при комнатной температуре, а при повышении температуры молекулы получают больше энергии для преодоления межмолекулярной водородной связи. При 100 °C энергии достаточно для того, чтобы молекулы вырвались на свободу.

Растворенные вещества в воде

Растворение одного вещества в другом возможно только при наличии взаимодействия между молекулами двух веществ. Подобным образом, некоторые газы, например, O₂, CO₂, N₂, NH₃ и SO₂, растворяются в воде, потому что между молекулами воды и молекулами газа существует притягательное взаимодействие.

Есть два способа растворения газов в воде: ван-дер-ваальсова связь и водородная связь.

Гетероядерные молекулы (т.е. имеющие атомы из разных элементов), такие, как NH₃ или CO₂, имеют разницу в электроотрицательности между атомами. N и O более электроотрицательны, чем H и C, соответственно. Таким образом, N и O остаются частично отрицательными, а H и C становятся частично положительными. Это приводит к частичной поляризации молекул NH₃ и CO₂.

Отрицательные концы (N и O) притягиваются к частично положительному H воды; в то же время положительные концы (H и C) притягиваются к частично отрицательному O воды. Это и есть водородная связь. Чем больше поляризация газообразной молекулы, тем лучше она растворяется в воде.

Гомоядерные молекулы (т.е. имеющие атомы одного и того же элемента), такие, как O₂ и N₂, неполярны и плохо растворимы (очень низкая растворимость) в воде. Слабые ван-дер-ваальсовы силы притяжения удерживают эти газы с молекулами воды. Они намного слабее, чем диполь-дипольные взаимодействия.

Слабые силы Ван-дер-Ваальса возникают из-за изменения распределения заряженных электронов вокруг атомов, что приводит к временной индуцированной поляризации.

Растворимость газов в воде уменьшается при повышении температуры.

Последовательность событий при кипении воды

Возьмем жидкую воду при комнатной температуре (25 °С). При этой температуре растворимость O₂ составляет 8,27 мг/л, а CO₂ — 1,5 г/л. При повышении температуры молекулы газа и воды приобретают больше кинетической энергии. Благодаря этой энергии всем молекулам легче преодолеть межмолекулярное притяжение. При температуре 50 °С растворимость O₂ уменьшается до 2,75 мг/л, а растворимость CO₂ — до 0,75 г/л. Это снижение растворимости означает, что газообразные молекулы могут преодолеть слабое межмолекулярное притяжение. Поскольку плотность молекул газа ниже плотности воды, они поднимаются наверх в виде пузырьков. Гомоядерные молекулы, такие как N₂ и O₂, всплывают при низких температурах из-за слабых ван-дер-ваальсовых сил. Дальнейшее повышение температуры приводит к выделению пузырьков полярных молекул, таких как CO₂ и NH₃, которые удерживаются диполь-дипольными взаимодействиями.

Молекулы газа, вырывающиеся из воды.

Это бульканье продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения воды. Нагревание воды происходит не совсем равномерно, то есть существуют области более высоких и более низких температур. При температуре выше 90 °С некоторые молекулы воды вблизи дна получают достаточно энергии для перехода в парообразную фазу. Образуются области газообразной воды, о чем свидетельствуют огромные пузыри, поднимающиеся со дна. Кроме того, из-за энергичного движения молекул конвективный нагрев еще больше повышает температуру. При температуре 100 °С почти все молекулы воды обладают достаточной кинетической энергией для перехода в парообразное состояние, и пузырьки водяного пара начинают стремительно подниматься вверх!

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Теоретические исследования движения пузырьков воздуха в потоке воды при аэрации | C.O.K. archive | 2019

Движение потоков в сооружениях водоочистки с аэрацией (например, аэротенк, аэрофильтр, аэрируемая песколовка) создают технологическую особенность. Основным процессом, в физическом понимании аэрации, является движение пузырьков воздуха снизу вверх. Рассмотрим всплывание пузырька воздуха в жидкости, находящейся в состоянии покоя.

Предположим, что пузырёк воздуха в жидкости имеет форму шара [1].

На всплывающий пузырёк действуют три силы: сила тяжести F_т, архимедова сила F_а и сила сопротивления F_c (рис.  1). В проекции на вертикальную ось OY подъёмная сила F_п равна:

Силы выражаются в ньютонах (Н).

Рассмотрим действие сил при равномерном движении пузырька в воде.

Сила Архимеда (выталкивающая сила) приводит пузырёк в движение вверх, при этом диаметр пузырька увеличивается, достигая своего максимума на поверхности воды.

Сила Стокса (сила трения) при движении пузырька действует в направлении, противоположном силе Архимеда, и направлена сверху вниз.

Сила тяжести действует в условиях ускорения свободного падения и направлена сверху вниз.

Сила Стокса возникает в результате взаимодействия жидкости с пузырьком и равна силе трения, на преодоление которой затрачивается работа.

Разность энергий двух состояний пузырька до начала совершения работы и после — это работа как избыточная свободная энергия. С точки зрения гидростатики дополнительная потенциальная энергия равносильна динамическому напору.

При условии сжимаемости воздуха и при движении пузырька вверх наружное давление на стенки пузырька будет меняться с высотой, а диаметр пузырька будет увеличиваться. Расширение воздуха в пузырьке может происходить либо изотермически, либо адиабатически. Поскольку размер пузырька определяют условия гидростатики и силы Стокса, то принимаем расширение воздуха в пузырьке как изотермическое, поэтому размеры пузырька должны быть достаточно малыми.

Запишем условие для изотермического процесса при вертикальном всплытии пузырька воздуха:

pV = const, (2)

где p — давление жидкости, Па; V — объём жидкости, м³.

Если p₀ — атмосферное давление [Па], то давление на глубине h [м] в жидкости плотностью ρ [кг/м³] будет равно (p₀ + ρgh), где g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; ρ — плотность жидкости, кг/м³; h — глубина, м.

Согласно закону изотермического расширения пузырька (2) на глубине слоя жидкости найдём радиус пузырька:

где r₀ — радиус пузырька на поверхности воды, мм.

Пузырёк движется со скоростью v в жидкости, характеризуемой динамической вязкостью [Па·с]. Движение сферического пузырька в жидкости, которая рассматривается как непрерывная среда, и размеры которого (пузырька) значительно превышают размеры молекул среды, описывается уравнением Стокса для вязкого сопротивления:

где F_c — сила Стокса, Па; м — динамическая вязкость, Па·с или Н·с/м²; v — скорость всплытия пузырька, м/с.

Сила Архимеда F_а (подъёмная сила для пузырька) определяется из выражения

и она равна силе Стокса.

Сила тяжести равна:

где m — масса пузырька, кг.

Сила тяжести зависит от геометрических размеров пузырька. Эта сила крайне мала в сравнении с силами, действующими на пузырёк воздуха в воде, следовательно, значением силы тяжести можно пренебречь.

Скорость всплывания пузырька находится по уравнению:

От шарообразной формы переходим к изменению форм пузырька [2, 3].

Пузырёк находится в движении во время подъёма до поверхности воды. При этом пузырёк воздуха принимает шарообразную форму за счёт действия сил поверхностного натяжения.

Кроме того, изменение давлений сред (внутренней и внешней) пузырька приводит к деформации его поверхности, что способствует колебанию пузырька.

Применительно к единичному всплывающему пузырьку, на границе раздела фаз возникает разность давлений Δр, описываемая уравнением:

где р₁ и р₂ — давления двух фаз на глубине, Па; σ_1,2 — поверхностное натяжение на границе двух фаз, Н/м; R_к — радиус кривизны поверхности рассматриваемого пузырька, м.

В результате увеличения объёма и изменения формы пузырька возникают его колебательные движения. Траектория всплытия пузырька принимается смещающейся относительно вертикали и носит волновой характер (рис. 2).

Теперь известны все величины, определяющие силу Стокса, что позволяет вычислить работу, совершаемую всплывающим пузырьком.

Вертикальное направление всплывания пузырька выберем за ось Oy.

Увеличение размеров и изменение формы пузырька передаётся окружающей пузырёк жидкости. Тем самым возникает суммарная работа dA и приращение свободной энергии согласно силам, действующим на пузырёк (рис. 1).

Поэтому приращение свободной энергии du в пересчёте на один пузырёк определится равенством:

где du и dA выражаются в джоулях (Дж).

Используя в формуле (9) выражения для силы Стокса (4), радиуса пузырька (3) и скорости всплытия пузырька (7), получаем следующий результат:

Для расчёта свободной энергии пузырьков введём функцию распределения f (r), которая представляет собой плотность вероятности обнаружения размера пузырька в единичном объёме между пузырьками с радиусами r и (r + dr).

Количество пузырьков с такими размерами в объёме dV будет равно f (r)drdV, поэтому их вклад в свободную энергию запишется как:

Помня, что V₀ = 4/3(πr₀³), и интегрируя по всем возможным размерам пузырьков, получаем:

здесь r_ 03 — среднее значение куба радиуса пузырька на уровне поверхности жидкости, мм³; количество пузырьков в единице объёма жидкости, шт.

Термодинамическая связь параметров системы определяет давление р в системе как производную свободной энергии по объёму. Избыточное давления жидкости тогда составит:

Рассмотрим всплытие пузырька воздуха в потоке жидкости при ламинарном режиме течения.

На рис. 3 представлена схема воздействие потока жидкости на вертикальное всплывание пузырька воздуха. Под воздействием распределения скоростей потока v = f(h) происходит смещение пузырька от вертикальной оси Oy. Согласно основным законам гидродинамики распределение скоростей зависит от кинетической энергии потока [3, 4]. По сечению потока происходит распределение скоростей, которые зависят от сопротивления между слоями жидкости при движении.

Нижние слои потока имеют сопротивление движению за счёт шероховатости дна, а движение верхнего слоя замедляется на границе раздела фаз «вода-воздух».

Обозначим через a [мм] расстояние от оси Oy до всплывшего пузырька на поверхности жидкости, а через b [мм] расстояние от оси Oy до всплывающего пузырька, максимально сместившегося по направлению движения жидкости.

Разница между a и b всплывающего пузырька зависит от скорости потока. Тогда выражение (14) запишется как

Полученная математическая зависимость позволяет более точно осуществить численные эксперименты на определённом этапе проектирования аэрационных сооружений систем водоочистки.

Эти действия направлены на нормализацию неустойчивости работы аэрационных сооружений и на определение оптимальных условий технологического процесса.

Выводы

1. Произведён анализ воздействия физических факторов на движение пузырька воздуха в воде, основанный на изотермическом процессе.

2. Получено уравнение, в котором приводится термодинамическая связь в определении давления в системе, как производная свободной энергии в потоке воды с учётом гидродинамических отклонений.

3. Использование полученного выражения позволяет повысить эффективность процесса водоочистки с применением аэрации.

Духовная символика пузырьков в воде

11 августа 2022 г. 12 апреля 2022 г. от Awakening State

Каков духовный символизм пузырьков в воде?

Введение

Эта статья может показаться странной из-за странного характера вопроса, который мы задаем в этой конкретной статье.

Но… мы склонны смотреть на обыденные вещи, такие как пузырьки, всплывающие в нашей воде, и спрашивать, есть ли в них какой-то более глубокий смысл.

Хотя большинство людей на планете, вероятно, никогда не задумывались о водяных пузырях и о том, могут ли они нести какую-либо духовную символику, мы готовы поспорить, что по крайней мере некоторые из вас, читающие это, могли задаться вопросом этот вопрос себе один или два раза (очевидно, по крайней мере один раз, если вы читаете это).

Итак, давайте перейдем непосредственно к вопросу этой статьи о том, что такое духовная символика пузырьков в воде.

Вода и ее духовный символизм

https://pixabay. com/photos/drop-splash-water-liquid-wallpaper-3698073/

Вода сама по себе содержит глубокую и обширную духовную символику, значения и истины, касающиеся нас самих и мира, в котором мы живем.

Это является жидким символом самой жизни во всех ее формах, как полезных, так и насильственных.

Вода духовно известна как источник исцеления и покоя, но также и источника страдания и ярости из-за ее текучей и постоянно меняющейся природы.

Итак, мы знаем, что вода содержит в себе сущность жизни и что на самом деле означает быть текучим и адаптируемым в каждом аспекте и ситуации, которые бросает нам жизнь, но что насчет того, когда неподвижность воды прерывается, когда она начинает пузыриться вверх?

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Признаки магнитного притяжения между родственными душами

Пузыри в воде

Когда в воде появляются пузырьки, это обычно происходит, когда какая-то внешняя сила или фактор воздействуют на неподвижную воду, например:

• Вода, которая начинает кипеть от сильного нагрева, заставляет пузырьки подниматься на поверхность.
• Когда человек втыкает соломинку в стакан с водой, а затем начинает пускать пузыри в воду, потому что это просто глупое развлечение или потому что ему скучно.
• Проведение процесса газации воды приведет к появлению небольших пузырьков воздуха в воде, когда она станет газированной.
• Дайте стакану холодной воды настояться и нагреться в течение длительного времени при комнатной температуре.

Возможно, мы могли бы еще долго рассказывать о различных способах образования пузырьков в воде, но суть в том, что когда дело доходит до попытки различить духовный символизм и значение чего-либо в нашем физическом мире, возможность использования нескольких символов для разных сценариев.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Духовное значение птичьего помета на вас

Духовный символизм пузырьков в воде

https://pixabay.com/photos/bubbles-water-bubbly-bubbling-230014/

Хорошо, теперь, когда мы немного промокли, пришло время погрузиться глубже.

Когда в воде появляются пузырьки, будь то стакан холодной воды, который нагревается, или кастрюля с водой, нагретая до кипения, они являются физическим признаком изменения.

Итак, с учетом сказанного, если вы поймаете себя на том, что в какой-то момент задаетесь вопросом, почему в вашей воде появляются пузырьки, это то, что Вселенная, возможно, пытается вам сказать.

• В вашей жизни скоро случится сильное потрясение.

Обратите внимание на области своей жизни, которые вы цените и лелеете, те ценности, отношения или вещи, которые вы любите, могут быть отняты у вас таким расстраивающим образом, что вызовет серьезные проблемы в вашей жизни.

Цените то, что у вас есть, потому что вы никогда не знаете, когда это может быть у вас отнято.

• Недавно вы подверглись сильному давлению, и это давление вызовет изменения внутри вас.

Вы когда-нибудь чувствовали, что жизнь просто постоянно нагревает вас, и вы приближаетесь к точке кипения, как будто вы вот-вот взорветесь на ком-то?

Обратите внимание, потому что то, как вы реагируете на эту ситуацию, в которой вы находитесь, может определить, каким человеком вы можете стать в результате.

Давление может быть мучительным, но, в конце концов, именно ваше решение о том, как вы будете реагировать, определит, каким человеком вы станете в конце.

• Вы приближаетесь к концу застойного и несвежего сезона жизни.

Изменения не всегда происходят быстро или бурно.

Это может случиться просто потому, что однажды ты проснешься и поймешь, что застопорился в жизни и решил, что хватит.

О каких целях вы всегда думали, но всегда откладывали в сторону по какой-либо причине?

Может пора вернуться к ним с обновленным духом.

Помните, что бы вы ни делали в прошлый раз, это явно не сработало, поэтому пришло время изменить это и подойти к этим целям по-другому.

• Кто-то из ваших знакомых собирается вас сильно расстроить.

Настало время внимательно следить за людьми, хотя и не за всеми, возможно, есть определенный человек, который приходит вам на ум, когда вы читаете это.

Скорее всего, этот человек собирается сделать что-то, что, скорее всего, поставит вас в неприятную ситуацию, в которой вы бы предпочли не участвовать, если это возможно.

К сожалению, жизнь не всегда устроена так, и мы часто оказываемся в неприятных ситуациях из-за выбора других людей.

В конце концов, хотя мы все должны стремиться быть похожими на воду в целом, текучими и способными адаптироваться ко всему, что подбрасывает нам жизнь, это не всегда происходит.

Иногда некоторые вещи просто выходят из-под нашего контроля, и мы вынуждены занимать позиции и ситуации, которые заставляют нас меняться под давлением.

Это давление не всегда насильственное или из-за другого человека. Иногда это может исходить изнутри, когда мы слишком долго сидим в застое, пока все это внутреннее давление, наконец, не поднимется на поверхность, и мы дадим себе тот толчок, который нам нужен, чтобы создать изменения в нашей жизни, которые мы всегда хотели увидеть.

Как бы то ни было, очевидно, что даже самые маленькие и самые обыденные вещи в жизни, такие как пузырьки в воде, могут заставить нас задуматься о более глубоких вещах самих себя.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Какой духовный смысл видеть красные машины?

Что вызывает появление пузырьков воздуха в воде из моего колодца

Пузырьки воды в воде из вашего колодца указывают на потенциальные проблемы

Для домовладельцев нередко наблюдать появление нескольких пузырьков воздуха в стакане воды, выливаемой из кухонного крана. Однако бывают случаи, когда в стекле появляется большое количество пузырьков, похожих на шипение. Существуют как естественные, так и механические причины возникновения этих маленьких белых пузырьков, многие из которых не представляют опасности для здоровья. Есть некоторые причины, которые могут быть проблематичными, и для их исключения может потребоваться тестирование воды.

Пузырьки природного происхождения

Когда вы черпаете воду из-под земли, особенно если в вашем доме есть скальный колодец, есть вероятность, что эти пузырьки представляют собой растворенные газы. Различные естественные реакции могут вызвать растворение газов в колодезной воде. Некоторые из этих газов включают двуокись углерода, сероводород или радон , опасный газ, который присутствует в подземных водах в некоторых районах Нью-Гэмпшира.

Метан также является еще одним растворенным газом, который может быть причиной появления мелких пузырьков в воде из скважины. Газообразный метан образуется в результате разложения органических веществ в подземных водах. Он не имеет запаха и цвета. При высоких концентрациях может быть взрывоопасным и пожароопасным при использовании большого количества воды с метаном вблизи открытого огня в замкнутом пространстве.

Температура и давление воды, находящейся глубоко под землей, являются двумя основными факторами, когда речь идет о растворенных в воде газах. Если давление на дне скального колодца высокое или если глубина воды велика, в воде может быть растворена более высокая концентрация некоторых газов. Когда вода из колодца закачивается в ваш дом, давление снижается, и газы могут выделяться в воду в виде маленьких пузырьков.

Вода при более низких температурах обладает большей способностью удерживать растворенные газы, чем более теплая вода. Когда вы закачиваете холодную воду из скального колодца в дом, вода нагревается, а присутствующие газы высвобождаются в виде раствора, снова создавая эти пузыри.

В большинстве этих случаев не стоит беспокоиться о пузырьках, но если вы живете в районе с более высоким содержанием радона, вам следует проверить воду и обсудить варианты удаления этого опасного газа из Водоснабжение вашего дома с профессионалами в области систем водоснабжения, такими как Skillings & Sons.

Механические причины появления пузырьков воздуха

Иногда пузырьки воды возникают при низком уровне воды в колодце, что приводит к попаданию воздуха в насос. Когда вода в колодце резко «спускается», это может указывать на то, что насос слишком велик для колодца. Засуха также может привести к понижению уровня воды. Один из способов предотвратить это в краткосрочной перспективе — уменьшить количество воды, используемой в доме. Домовладельцы также могут установить устройство отключения просадки, которое предотвращает чрезмерную откачку. Следует внимательно следить за повторяющимися чрезмерными депрессиями скважины, поскольку это может привести к перегреву двигателя насоса и повреждению насоса.

Некоторые устройства для очистки воды, особенно те, которые используются для удаления железа и марганца, нагнетают в воду воздух как часть процесса удаления примесей. Затем воду следует направить в резервуар, удаляющий лишний воздух. Если остается чрезмерное количество пузырьков воздуха, проверьте, правильно ли работает система и соответствует ли ее размер расходу воды. Домовладельцы также могут регулировать соотношение воздуха и воды.

Причиной образования пузырьков воды может быть и тип крана в доме.