(Restringe el grito de alegría que alguien preguntó sobre en qué se centró mi tesis)
El fenómeno que mencionas se llama sonoluminiscencia.
Una burbuja es un equilibrio de presión líquida externa versus presión interna de gas / vapor.
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Una onda de sonido en un líquido es una onda de presión: regiones alternas donde la presión es mayor o menor que la presión estática del líquido, con los máximos o mínimos repetitivos separados por una longitud de onda acústica.
Si la dimensión de la burbuja es pequeña en comparación con la longitud de onda acústica, que generalmente será en estas situaciones, entonces una onda de sonido que pasa por la burbuja, desde la perspectiva de la burbuja, es como el líquido circundante que sube y baja en presión a la frecuencia de La onda acústica. Cuanto más fuerte es la ola (densidad de potencia), mayor es el cambio de presión entre el mínimo y el máximo.
Comience con su ley de gases ideal. Cantidad fija de gas en la burbuja. La presión externa baja. El volumen aumenta (el radio de la burbuja aumenta). La presión externa aumenta, el volumen de la burbuja cae, el radio se reduce. Con una variación de presión sinusoidal de la onda de sonido, la burbuja oscilará en consecuencia, a la frecuencia acústica, con un cambio de radio determinado por los cambios de presión y volumen correspondientes.
PERO.
Llegas a un punto en que la frecuencia es lo suficientemente alta, y / o la amplitud de la onda de sonido es lo suficientemente alta, que la oscilación no es una pequeña perturbación que se pueda describir con buenas ecuaciones lineales. La “presión” en la burbuja es un efecto compuesto de las moléculas de gas individuales que rebotan entre sí y las paredes de la burbuja, y las moléculas líquidas externas hacen lo mismo. Cuando el movimiento de expansión / contracción de la pared de burbujas comienza a acercarse a velocidades y distancias comparables al movimiento real de las propias moléculas de gas, la oscilación se vuelve decididamente no lineal tanto en amplitud como en fase. Este proceso es demasiado rápido para que el calor se transfiera efectivamente a través de la pared de burbujas, por lo que el gas, durante la fase de compresión, se puede calentar. Mucho. (La ecuación de movimiento inicial del colapso del líquido en un vacío esférico fue desarrollada por primera vez por Rayleigh en 1917)
El efecto neto, dentro de unos pocos ciclos acústicos, es la masa aparente (relativamente) infinita del líquido que implosiona esféricamente el gas en la burbuja. El gas se comprime en una proporción asombrosa en muy poco tiempo para que escape el calor. Las unidades de presión son las mismas que la energía por unidad de volumen, no es una coincidencia aquí.
Un ejemplo: agua a 1 atmósfera y 300K (es decir, temperatura ambiente) La presión de vapor de agua es de aproximadamente 17 Torr. Onda acústica con una densidad de potencia de 1 vatio / cm ^ 2, que corresponde a una amplitud de presión acústica máxima de aproximadamente 1,71 atm. Para una burbuja pequeña en estas condiciones, la relación de compresión para el radio de la burbuja será de aproximadamente 25.5: 1. Lo que significa que el volumen se reducirá por el cubo de eso, o un factor de aproximadamente 16.5K. La temperatura máxima estará cerca de 7600 K, y la presión máxima de ~ 60 mil atmósferas.
7600K. Esos son números que se acercan a la superficie del sol. O, más familiarmente, el tipo de temperatura de color que verá para una bombilla de espectro completo.
Entonces, ¿de dónde vienen los destellos de luz? De la materia que hace tanto calor que brilla como la superficie de una estrella, aunque en un volumen muy muy pequeño.
Incluso si no hay destellos, este colapso de la cavitación de la burbuja puede ser una fuerza muy poderosa. Las hélices marinas están diseñadas para reducir la cavitación durante la operación, precisamente porque las burbujas de cavitación colapsadas en el lado de baja presión de las palas de apoyo pueden masticar y agrietar las superficies de metal duro.
En el término medio, también puede ver el efecto como la producción de pequeñas regiones de mayor temperatura y presión dentro de la mayor parte del líquido. Si hay posibles reacciones químicas en marcha, la temperatura y la presión más altas a menudo hacen que las reacciones sean más rápidas (Leyes de Arrhenius). Quítese el anillo en un joyero para que lo arrojen en un tanque de ultrasonido: está observando una superficie catalizada acústicamente, eliminando la suciedad del metal a un ritmo mucho más rápido que simplemente sumergirse en un baño pasivo.
