Esta dissertação se baseou no estudo do crescimento de cristais em soluções iônicas aquosas supersaturadas, analisando a partir de experimentos didáticos de cristalização, o comportamento e o crescimento dos cristais em solução. Foram escolhidos quinze sais iônicos solúveis em água para observar seu comportamento durante o processo de evaporação, avaliando a capacidade de produzir cristais idiomórficos a partir de soluções aquosas saturadas. Apenas cinco dos quinze sais produziram cristais: cloreto de sódio, sulfato de alumínio, tartarato de sódio e potássio, sulfato de cobre II e sulfato de níquel (tóxico). Foram propostas regras básicas para a realização de experimentos didáticos deste tipo. Por ter um fundamento pedagógico, destinado aos diversos níveis de ensino, estes experimentos foram preparados com água destilada e em condições ambiente. A partir dos experimentos didáticos de cristalização são abordados conceitos fundamentais de química, física e cristalografia, tais como sal, soluto, água, solvente, solução iônica, coeficiente de solubilidade, concentração, saturação, supersaturação, zona metaestável, nucleação, energia livre, temperatura, medidas em peso, evaporação, crescimento cristalino, simetria e formas cristalinas. / The present work proposed and discusses didactical experiments of crystallization of ionic salts in aqueous solutions. Fifteen salts have been chosen and tested for their capacity of producing idiomorphic crystals from saturated aqueous solution. Only five of them produced macroscopic crystals: sodium clorate, aluminum sulphate, potassium sodium tartrate, cooper sulphate and nickel sulphate (toxic). Deatailed procedures are proposed for the realization of didactic experiments of this type. Given its didactical character, targeted at different educational levels, the experiments were made with distilled water at ambient conditions. Based on the crystallization experiments, fundamental concepts of chemistry, physics and crystallography were approached, such as salt, solute, water, solvent, ionic solution, solubility coefficient, concentration, saturation, super saturation, metastable zone, nucleation, free energy, temperature, weight measures, evaporation, crystal growth, crystalline forms and symmetry.

Esta dissertação se baseou no estudo do crescimento de cristais em soluções iônicas aquosas supersaturadas, analisando a partir de experimentos didáticos de cristalização, o comportamento e o crescimento dos cristais em solução. Foram escolhidos quinze sais iônicos solúveis em água para observar seu comportamento durante o processo de evaporação, avaliando a capacidade de produzir cristais idiomórficos a partir de soluções aquosas saturadas. Apenas cinco dos quinze sais produziram cristais: cloreto de sódio, sulfato de alumínio, tartarato de sódio e potássio, sulfato de cobre II e sulfato de níquel (tóxico). Foram propostas regras básicas para a realização de experimentos didáticos deste tipo. Por ter um fundamento pedagógico, destinado aos diversos níveis de ensino, estes experimentos foram preparados com água destilada e em condições ambiente. A partir dos experimentos didáticos de cristalização são abordados conceitos fundamentais de química, física e cristalografia, tais como sal, soluto, água, solvente, solução iônica, coeficiente de solubilidade, concentração, saturação, supersaturação, zona metaestável, nucleação, energia livre, temperatura, medidas em peso, evaporação, crescimento cristalino, simetria e formas cristalinas. / The present work proposed and discusses didactical experiments of crystallization of ionic salts in aqueous solutions. Fifteen salts have been chosen and tested for their capacity of producing idiomorphic crystals from saturated aqueous solution. Only five of them produced macroscopic crystals: sodium clorate, aluminum sulphate, potassium sodium tartrate, cooper sulphate and nickel sulphate (toxic). Deatailed procedures are proposed for the realization of didactic experiments of this type. Given its didactical character, targeted at different educational levels, the experiments were made with distilled water at ambient conditions. Based on the crystallization experiments, fundamental concepts of chemistry, physics and crystallography were approached, such as salt, solute, water, solvent, ionic solution, solubility coefficient, concentration, saturation, super saturation, metastable zone, nucleation, free energy, temperature, weight measures, evaporation, crystal growth, crystalline forms and symmetry.

Este trabalho experimental tem por objetivo apresentar os estudos experimentais realizados com jatos de líquidos evaporativos (\"flash boiling\") de iso-octano. Nos estudos, o jato emergia de um diminuto bocal que descarrega em uma grande câmara de baixa pressão. O líquido ao passar pelo bocal sofria uma expansão interna alcançando elevados graus de superaquecimento ou de metaestabilidade, já que se mantinha na fase líquida. Nos experimentos, eram controladas as condições de pressão e temperatura de injeção durante um período de alguns poucos segundos suficientes para que as condições de regime permanente fossem estabelecidas. Um dos métodos para a visualização do escoamento do jato evaporativo foi o \"Schlieren\", o qual permitia visualizar elevados gradientes de densidade como normalmente ocorrem com ondas de choque, presentes nesta investigação. Também foi empregada a técnica de visualização de \"iluminação por detrás\" para que fossem comparadas as imagens obtidas por este método com o do \"Schlieren\", bem como mostrar detalhes do fenômeno em estudo. Com isso, foi possível estudar a estrutura do processo evaporativo do jato e, com o auxílio de ferramentas de filtragem matemática e manipulação das imagens obtidas, os fenômenos compressíveis envolvidos. Os perfis dos jatos observados foram: (1) filete contínuo de líquido sem evaporação, (2) jato com fragmentações ou atomizado e (3) abrupta evaporação seguida por expansão com formação de ondas de choque. Neste último caso, a inspeção das fotografias indicou que a evaporação do líquido se dava externamente ao bocal, a partir de um núcleo metaestável de líquido, o qual apresentava o formato aproximado de um cone. Também foi aplicada a teoria de ondas oblíquas de evaporação para estudar o comportamento deste cone líquido. Os ensaios foram conduzidos com três bocais cônico-convergentes de dimensões e materiais diferentes, quais sejam: bocal de aço com diâmetro de saída de 0,3 mm, bocal de aço com 0,8 mm e bocal de vidro com 0,35 mm. / The main goal of this thesis is to present results of experiments with flashing liquid jets of iso-octane. The experiments were carried out with a liquid jet issuing from a small nozzle into a low-pressure chamber. High degrees of metastability were obtained as the liquid jet expanded within the nozzle. Injection pressure and temperature were controlled to the desired testing values for a few seconds, which were found long enough to reach and keep the steady state regime. The photographic documentation of the phenomenon was obtained from a \"Schlieren\" set up using CCD camera. The \"back-lightening\" visualization technique was also used in order to compare both image techniques and to unveil some flashing phenomenon details. Analyses of these images with the help of mathematical filters as well as other image manipulating techniques enabled a qualitative visualization of the flashing liquid jet structure and geometry leaving the nozzle. Three liquid jet regimes were observed: (1) continuous liquid jet (2) partially atomized, and (3) evaporation with the presence of shock waves. In this latter case, we speculate that the evaporation took part on the liquid jet surface, which had the approximate shape of a cone. Also it was employed the oblique evaporation wave theory to explain some of the behavior of the overall evaporation process. The tests were carried out using three conical-converging nozzles made of different materials: a 0.3 mm exit diameter steel nozzle, a 0.8 mm exit diameter steel nozzle, and a 0.35 mm exit diameter glass nozzle.

Este trabalho experimental tem por objetivo apresentar os estudos experimentais realizados com jatos de líquidos evaporativos (\"flash boiling\") de iso-octano. Nos estudos, o jato emergia de um diminuto bocal que descarrega em uma grande câmara de baixa pressão. O líquido ao passar pelo bocal sofria uma expansão interna alcançando elevados graus de superaquecimento ou de metaestabilidade, já que se mantinha na fase líquida. Nos experimentos, eram controladas as condições de pressão e temperatura de injeção durante um período de alguns poucos segundos suficientes para que as condições de regime permanente fossem estabelecidas. Um dos métodos para a visualização do escoamento do jato evaporativo foi o \"Schlieren\", o qual permitia visualizar elevados gradientes de densidade como normalmente ocorrem com ondas de choque, presentes nesta investigação. Também foi empregada a técnica de visualização de \"iluminação por detrás\" para que fossem comparadas as imagens obtidas por este método com o do \"Schlieren\", bem como mostrar detalhes do fenômeno em estudo. Com isso, foi possível estudar a estrutura do processo evaporativo do jato e, com o auxílio de ferramentas de filtragem matemática e manipulação das imagens obtidas, os fenômenos compressíveis envolvidos. Os perfis dos jatos observados foram: (1) filete contínuo de líquido sem evaporação, (2) jato com fragmentações ou atomizado e (3) abrupta evaporação seguida por expansão com formação de ondas de choque. Neste último caso, a inspeção das fotografias indicou que a evaporação do líquido se dava externamente ao bocal, a partir de um núcleo metaestável de líquido, o qual apresentava o formato aproximado de um cone. Também foi aplicada a teoria de ondas oblíquas de evaporação para estudar o comportamento deste cone líquido. Os ensaios foram conduzidos com três bocais cônico-convergentes de dimensões e materiais diferentes, quais sejam: bocal de aço com diâmetro de saída de 0,3 mm, bocal de aço com 0,8 mm e bocal de vidro com 0,35 mm. / The main goal of this thesis is to present results of experiments with flashing liquid jets of iso-octane. The experiments were carried out with a liquid jet issuing from a small nozzle into a low-pressure chamber. High degrees of metastability were obtained as the liquid jet expanded within the nozzle. Injection pressure and temperature were controlled to the desired testing values for a few seconds, which were found long enough to reach and keep the steady state regime. The photographic documentation of the phenomenon was obtained from a \"Schlieren\" set up using CCD camera. The \"back-lightening\" visualization technique was also used in order to compare both image techniques and to unveil some flashing phenomenon details. Analyses of these images with the help of mathematical filters as well as other image manipulating techniques enabled a qualitative visualization of the flashing liquid jet structure and geometry leaving the nozzle. Three liquid jet regimes were observed: (1) continuous liquid jet (2) partially atomized, and (3) evaporation with the presence of shock waves. In this latter case, we speculate that the evaporation took part on the liquid jet surface, which had the approximate shape of a cone. Also it was employed the oblique evaporation wave theory to explain some of the behavior of the overall evaporation process. The tests were carried out using three conical-converging nozzles made of different materials: a 0.3 mm exit diameter steel nozzle, a 0.8 mm exit diameter steel nozzle, and a 0.35 mm exit diameter glass nozzle.

O fenômeno da nucleação é um processo intrinsecamente irreversível. A Teoria Entrópica da Nucleação (TEN) aborda-o analisando um processo reversível equivalente no qual há liberação de calor latente (variação da entalpia), concomitante a um rearranjo estrutural descrito pela variação da entropia antes e depois de certa quantidade de material ter nucleado. Para visualizar a dinâmica e facilitar a análise foi escolhido um processo isobárico. O diagrama de Mollier modificado para evidenciar a região metaestável ajudou a desenvolver uma expressão para o cálculo do tamanho do núcleo crítico, mediante a teoria da flutuação de Landau. Para analisar o sistema na região metaestável, obteve-se a função entropia, S(H,P0), em que aspectos físicos e geométricos (como o princípio de estabilidade termodinâmica) foram determinantes. Cálculos do núcleo crítico em relação à temperatura mostraram concordância qualitativa com o trabalho de Dillmann-Meier. Porém, entende-se que a função do núcleo crítico está incompleta. Para lidar com aglomerados e núcleos em uma abordagem termodinâmica, um ensemble a pressão constante é o mais apropriado, cuja variável conjugada é o volume. Com base em uma teoria das flutuações isotérmicas em um fluido ideal (Koper-Reiss), desenvolveu-se a teoria das flutuações não-isotérmicas (Mokross), aplicável a um fluido não-ideal metaestável mantido a pressão e temperatura constantes. Os parâmetros termodinâmicos do elemento de volume que flutua mudam e diferem daqueles do banho, e evolvem acordando com a equação de estado S=S(H,P). / The phenomenon of nucleation is an intrinsically irreversible process. The nucleation is explored by the Entropic Nucleation Theory (ENT), in which, the irreversible process is replaced by an equivalent one, although now, the process is reversible in which there is a change in the enthalpy, and also an structural rearrangement coded in the change of de entropy. To study the dynamics and perform the analysis an isobaric process was chosen. The metastable region was used to develop an expression for the calculation of size of the critical nucleus, having in mind the Landau´s fluctuation theory. This region was obtained with the help of the modified Mollier diagram. The physical and geometric features of the system were crucial to obtain the entropy function, S(H,P0), used to analyze the metastable region. Calculations of the critical nucleus, with respect to the temperature, were in qualitative agreement with Dillmann-Meier work. Although, the function for the critical nucleus is incomplete. To handle with clusters and nucleus in a thermodynamic framework, a constant pressure assemble is preferable having the volume as the conjugated variable. With the help of the isothermal fluctuation theory, in an ideal fluid (Koper-Reiss), the non-isothermal fluctuation theory (Mokross) was developed, and used to study a non-ideal metastable fluid kept at constant pressure and temperature. The thermodynamics parameters of the fluctuating volume element change, differing from those of the bath, and the state equation, S=S(H,P) gives its evolution.

Foi construído um arranjo experimental para estudar o comportamento dos jatos evaporativos. Um injetor foi projetado para controlar e manter constantes a pressão e temperatura de reservatório durante a injeção. Um bocal cônico convergente de seção reta com diâmetro de saída de 0,30 mm e ângulo entre sua geratriz e seu eixo simetria igual à 10º forma o elemento principal do injetor. O jato é descarregado em uma câmara de baixa pressão de dimensões suficientemente grandes para manter a pressão constante durante o curto período de ensaio, igual à 1 s. Quando injetado, o líquido sofre uma repentina queda de pressão ocasionando sua evaporação. Os fluidos utilizados são os combustíveis querosene e óleo diesel, e a substância n-dodecano, os quais se caracterizam pela possibilidade de uma evaporação completa, de forma adiabática. Utilizou-se o método \"schlieren\" para a visualização do escoamento. A análise dos jatos é feita de forma qualitativa através dos registros fotográficos. Foram observados os seguintes tipos de jato: (1) contínuo, (2) pulverizante e (3) evaporação na superfície. O primeiro jato não implica em imediata mudança de fase tornando o jato de líquido emergente intacto. Com o aumento da temperatura de injeção, existe o espalhamento e a evaporação do jato, formando o segundo tipo de jato, onde é possível visualizar o campo do gradiente de densidade do escoamento e a formação de ondas de evaporação e de choque que pode ocorrer a uma distância proporcional a vários diâmetros à jusante. Em jatos com evaporação completa, foram constadas a formação de ondas de choque tanto de formas elipsóide como de esferóide para elevadas temperaturas. As fotografias digitais são submetidas à filtragem e processamento matemático para melhor destacar tais fenômenos do escoamento. / An experimental apparatus has been built to study the behaviour of flashing jets. An injector was designed to control and maintain the jet pressure and temperature at constant values during the injection process. A conical convergent nozzle whose main dimensions are 0,30 mm of exit diameter, 8 mm long, and a convergence half-angle of 10º is the central component of the injection system. The jet is discharged into a low-pressure chamber large enough to keep the reservoir pressure constant during the short test period of about 1 s. As the testing liquid expands in the nozzle it undergoes a sudden pressure drop causing its evaporation. The fluids are usual fuels, such as kerosene and diesel oil, and the substance ndodecane, which are distinguishable by the possibility of a complete evaporation in an isoentropic expansion process. The photographic method \"schlieren\" is used for flow visualisation. A qualitative analysis is made of the photographic documentation of the images obtained using a CCD camera. The images can be grouped into three categories of jets: (1) continuous, (2) shattering, and (3) with surface evaporation. The first regime has an undisturbed a liquid column, which remains more or less intact during the injection process. In the second type, the existing liquid jet is shattered by vapour nucleation and, in some cases, shock waves are clearly visible. It happens at higher temperature than the preceding evaporation mode. Finally, in special situations, the jet undergoes an evaporation at its surface and the two-phase mixture expands at a high speed followed by a shock wave before the mixture attains the pressure reservoir.

Devido à importância de cavidades de vapor em meios líquidos, para áreas como transferência de calor e de escoamento em tubos (nos quais elas podem causar sérios danos), o processo de formação e colapso de bolhas tem sido largamente estudado, e boa parte do que ocorre em escala micro já foi reportado. Nos últimos anos, novos estudos no campo têm demonstrado que cavidades de diâmetro não desprezível (chegando a dezenas de centímetros), podem ser geradas em condições controladas. O mecanismo dos experimentos de formação dessas cavidades se aproveita do fato de que substâncias puras (ou quase puras) podem ser mantidas como líquido em temperaturas bem acima das de mudança de fase, e a transição de fase propriamente dita necessita de um mecanismo facilitador ou um ponto de iniciação, de modo que um estado superaquecido pode ser mantido por muito tempo até que essa condição seja alcançada, gerando uma mudança de fase extremamente rápida, e muitas vezes explosiva. As chamadas macro cavidades, geradas por esse processo, possuem uma dinâmica geral de formação e colapso bem semelhante as que ocorrem em escala micro, porém uma série de outros aspectos podem ser observadas nas mesmas, tais como formação de jato central e de película de líquido ascendente junto a parede. Esses aspectos específicos do escoamento, embora descritos em trabalhos anteriores, ainda não foram completamente compreendidos, e se mostram como um desafio na reprodução dos experimentos e na quantificação de força útil gerada. Dessa forma, este estudo se propõem ao melhor entendimento desses detalhes específicos acerca das macro cavidades. Através de filmagens em alta velocidade dos experimentos, e da análise dos dados gerados por essas filmagens, foi realizada uma análise dos mecanismos envolvidos na formação dos jatos centrais e dos filmes ascendentes, comparando a forma como esses efeitos se dão para o caso de macro cavidades com o relatado na bibliografia para casos semelhantes. A fim de facilitar a compreensão da física por trás dos mecanismos de amplificação de ondas, um modelo simplificado da instabilidade de Rayleigh-Taylor aplicado ao fenômeno também foi abordado. / Because of the importance of vapor cavities in liquid, for areas such as heat transfer and pipe flow (in which they can cause serious damage), the process of formation and collapse of bubble has been largely studied, and much of what occurs on a micro scale has already been reported. In recent years new studies in the field have shown that cavities of non-negligible diameter (up to tens of centimeters) can be generated under controlled conditions. The mechanism for the experiments of cavity formation takes advantage of the fact that pure (or near pure) substances can be kept as liquid at temperatures well above the phase change, and the phase transition itself requires a facilitating mechanism or a starting point, such that an overheated state can be maintained for a long time until this condition is reached, generating an extremely rapid, and often explosive, phase change. The so-called macro cavities, generated by this process, have a general dynamics of formation and collapse very similar to those that occur in micro scale, but a number of other aspects can be observed in them, such as formation of central jet and a liquid climbing film close to the wall. These specific aspects of the flow, although described in previous work, have not yet been fully understood, and are shown as a challenge in the reproduction of experiments and in the quantification of useful force generated. Thus, this study proposes to better understand these specific details about the macro cavities. Through high speed filming of the experiments and analysis of the data generated by these films, an analysis was made of the mechanisms involved in the formation of the central jets and the climbing films, comparing the way these events occur in the case of macro cavities, with the reported in the bibliography for similar cases. In order to facilitate the understanding of the physics behind the mechanisms of wave amplification, a simplified model of Rayleigh-Taylor instability applied to the phenomenon was also addressed.

Foi construído um arranjo experimental para estudar o comportamento dos jatos evaporativos. Um injetor foi projetado para controlar e manter constantes a pressão e temperatura de reservatório durante a injeção. Um bocal cônico convergente de seção reta com diâmetro de saída de 0,30 mm e ângulo entre sua geratriz e seu eixo simetria igual à 10º forma o elemento principal do injetor. O jato é descarregado em uma câmara de baixa pressão de dimensões suficientemente grandes para manter a pressão constante durante o curto período de ensaio, igual à 1 s. Quando injetado, o líquido sofre uma repentina queda de pressão ocasionando sua evaporação. Os fluidos utilizados são os combustíveis querosene e óleo diesel, e a substância n-dodecano, os quais se caracterizam pela possibilidade de uma evaporação completa, de forma adiabática. Utilizou-se o método \"schlieren\" para a visualização do escoamento. A análise dos jatos é feita de forma qualitativa através dos registros fotográficos. Foram observados os seguintes tipos de jato: (1) contínuo, (2) pulverizante e (3) evaporação na superfície. O primeiro jato não implica em imediata mudança de fase tornando o jato de líquido emergente intacto. Com o aumento da temperatura de injeção, existe o espalhamento e a evaporação do jato, formando o segundo tipo de jato, onde é possível visualizar o campo do gradiente de densidade do escoamento e a formação de ondas de evaporação e de choque que pode ocorrer a uma distância proporcional a vários diâmetros à jusante. Em jatos com evaporação completa, foram constadas a formação de ondas de choque tanto de formas elipsóide como de esferóide para elevadas temperaturas. As fotografias digitais são submetidas à filtragem e processamento matemático para melhor destacar tais fenômenos do escoamento. / An experimental apparatus has been built to study the behaviour of flashing jets. An injector was designed to control and maintain the jet pressure and temperature at constant values during the injection process. A conical convergent nozzle whose main dimensions are 0,30 mm of exit diameter, 8 mm long, and a convergence half-angle of 10º is the central component of the injection system. The jet is discharged into a low-pressure chamber large enough to keep the reservoir pressure constant during the short test period of about 1 s. As the testing liquid expands in the nozzle it undergoes a sudden pressure drop causing its evaporation. The fluids are usual fuels, such as kerosene and diesel oil, and the substance ndodecane, which are distinguishable by the possibility of a complete evaporation in an isoentropic expansion process. The photographic method \"schlieren\" is used for flow visualisation. A qualitative analysis is made of the photographic documentation of the images obtained using a CCD camera. The images can be grouped into three categories of jets: (1) continuous, (2) shattering, and (3) with surface evaporation. The first regime has an undisturbed a liquid column, which remains more or less intact during the injection process. In the second type, the existing liquid jet is shattered by vapour nucleation and, in some cases, shock waves are clearly visible. It happens at higher temperature than the preceding evaporation mode. Finally, in special situations, the jet undergoes an evaporation at its surface and the two-phase mixture expands at a high speed followed by a shock wave before the mixture attains the pressure reservoir.

O fenômeno da nucleação é um processo intrinsecamente irreversível. A Teoria Entrópica da Nucleação (TEN) aborda-o analisando um processo reversível equivalente no qual há liberação de calor latente (variação da entalpia), concomitante a um rearranjo estrutural descrito pela variação da entropia antes e depois de certa quantidade de material ter nucleado. Para visualizar a dinâmica e facilitar a análise foi escolhido um processo isobárico. O diagrama de Mollier modificado para evidenciar a região metaestável ajudou a desenvolver uma expressão para o cálculo do tamanho do núcleo crítico, mediante a teoria da flutuação de Landau. Para analisar o sistema na região metaestável, obteve-se a função entropia, S(H,P0), em que aspectos físicos e geométricos (como o princípio de estabilidade termodinâmica) foram determinantes. Cálculos do núcleo crítico em relação à temperatura mostraram concordância qualitativa com o trabalho de Dillmann-Meier. Porém, entende-se que a função do núcleo crítico está incompleta. Para lidar com aglomerados e núcleos em uma abordagem termodinâmica, um ensemble a pressão constante é o mais apropriado, cuja variável conjugada é o volume. Com base em uma teoria das flutuações isotérmicas em um fluido ideal (Koper-Reiss), desenvolveu-se a teoria das flutuações não-isotérmicas (Mokross), aplicável a um fluido não-ideal metaestável mantido a pressão e temperatura constantes. Os parâmetros termodinâmicos do elemento de volume que flutua mudam e diferem daqueles do banho, e evolvem acordando com a equação de estado S=S(H,P). / The phenomenon of nucleation is an intrinsically irreversible process. The nucleation is explored by the Entropic Nucleation Theory (ENT), in which, the irreversible process is replaced by an equivalent one, although now, the process is reversible in which there is a change in the enthalpy, and also an structural rearrangement coded in the change of de entropy. To study the dynamics and perform the analysis an isobaric process was chosen. The metastable region was used to develop an expression for the calculation of size of the critical nucleus, having in mind the Landau´s fluctuation theory. This region was obtained with the help of the modified Mollier diagram. The physical and geometric features of the system were crucial to obtain the entropy function, S(H,P0), used to analyze the metastable region. Calculations of the critical nucleus, with respect to the temperature, were in qualitative agreement with Dillmann-Meier work. Although, the function for the critical nucleus is incomplete. To handle with clusters and nucleus in a thermodynamic framework, a constant pressure assemble is preferable having the volume as the conjugated variable. With the help of the isothermal fluctuation theory, in an ideal fluid (Koper-Reiss), the non-isothermal fluctuation theory (Mokross) was developed, and used to study a non-ideal metastable fluid kept at constant pressure and temperature. The thermodynamics parameters of the fluctuating volume element change, differing from those of the bath, and the state equation, S=S(H,P) gives its evolution.

Devido à importância de cavidades de vapor em meios líquidos, para áreas como transferência de calor e de escoamento em tubos (nos quais elas podem causar sérios danos), o processo de formação e colapso de bolhas tem sido largamente estudado, e boa parte do que ocorre em escala micro já foi reportado. Nos últimos anos, novos estudos no campo têm demonstrado que cavidades de diâmetro não desprezível (chegando a dezenas de centímetros), podem ser geradas em condições controladas. O mecanismo dos experimentos de formação dessas cavidades se aproveita do fato de que substâncias puras (ou quase puras) podem ser mantidas como líquido em temperaturas bem acima das de mudança de fase, e a transição de fase propriamente dita necessita de um mecanismo facilitador ou um ponto de iniciação, de modo que um estado superaquecido pode ser mantido por muito tempo até que essa condição seja alcançada, gerando uma mudança de fase extremamente rápida, e muitas vezes explosiva. As chamadas macro cavidades, geradas por esse processo, possuem uma dinâmica geral de formação e colapso bem semelhante as que ocorrem em escala micro, porém uma série de outros aspectos podem ser observadas nas mesmas, tais como formação de jato central e de película de líquido ascendente junto a parede. Esses aspectos específicos do escoamento, embora descritos em trabalhos anteriores, ainda não foram completamente compreendidos, e se mostram como um desafio na reprodução dos experimentos e na quantificação de força útil gerada. Dessa forma, este estudo se propõem ao melhor entendimento desses detalhes específicos acerca das macro cavidades. Através de filmagens em alta velocidade dos experimentos, e da análise dos dados gerados por essas filmagens, foi realizada uma análise dos mecanismos envolvidos na formação dos jatos centrais e dos filmes ascendentes, comparando a forma como esses efeitos se dão para o caso de macro cavidades com o relatado na bibliografia para casos semelhantes. A fim de facilitar a compreensão da física por trás dos mecanismos de amplificação de ondas, um modelo simplificado da instabilidade de Rayleigh-Taylor aplicado ao fenômeno também foi abordado. / Because of the importance of vapor cavities in liquid, for areas such as heat transfer and pipe flow (in which they can cause serious damage), the process of formation and collapse of bubble has been largely studied, and much of what occurs on a micro scale has already been reported. In recent years new studies in the field have shown that cavities of non-negligible diameter (up to tens of centimeters) can be generated under controlled conditions. The mechanism for the experiments of cavity formation takes advantage of the fact that pure (or near pure) substances can be kept as liquid at temperatures well above the phase change, and the phase transition itself requires a facilitating mechanism or a starting point, such that an overheated state can be maintained for a long time until this condition is reached, generating an extremely rapid, and often explosive, phase change. The so-called macro cavities, generated by this process, have a general dynamics of formation and collapse very similar to those that occur in micro scale, but a number of other aspects can be observed in them, such as formation of central jet and a liquid climbing film close to the wall. These specific aspects of the flow, although described in previous work, have not yet been fully understood, and are shown as a challenge in the reproduction of experiments and in the quantification of useful force generated. Thus, this study proposes to better understand these specific details about the macro cavities. Through high speed filming of the experiments and analysis of the data generated by these films, an analysis was made of the mechanisms involved in the formation of the central jets and the climbing films, comparing the way these events occur in the case of macro cavities, with the reported in the bibliography for similar cases. In order to facilitate the understanding of the physics behind the mechanisms of wave amplification, a simplified model of Rayleigh-Taylor instability applied to the phenomenon was also addressed.