Ученые открыли новый способ левитации воды
Если вы бросите горсть капель на очень горячую сковороду, вы увидите, как они носятся и танцуют.
Эти капли, хотите верьте, хотите нет, на самом деле левитируют. Если поверхность достаточно горячая, тепло испаряет ближайшую к ней сторону капли, создавая газовую подушку, на которой парит остальная часть капли.
Это известно как эффект Лейденфроста, после Немецкий врач Иоганн Готтлоб Лейденфрост, который задокументировал это явление в 18 веке.
Теперь группа ученых разработала способ снизить температуру, при которой происходит этот маленький танец воды. Поверхность с микроскопической текстурой более эффективно передает тепло каплям, и это открытие имеет значение для применений теплопередачи, таких как охлаждение промышленного оборудования и ядерные градирни.
«Мы думали, что микростолбы изменят поведение этого хорошо известного явления, но наши результаты бросили вызов даже нашему собственному воображению», — говорит инженер-механик Цзинтао Ченг из Политехнического института и государственного университета Вирджинии.
«Наблюдаемые взаимодействия пузырьков с каплями — большое открытие. для теплопередачи при кипении».
Мы уже давно знаем об эффекте Лейденфроста, и его параметры хорошо изучены. Чтобы это произошло, необходимо достаточно тепла, чтобы вода мгновенно образовала пар при контакте с горячей пластиной, но не так много тепла, чтобы вся капля воды мгновенно испарилась.
Причина, по которой вода не испаряется. полностью испаряются при температурах Лейденфроста, потому что значительная часть энергии от горячей поверхности отводится в виде пара, а не поступает в остальную часть капли.
Поверхность, которую разработал Ченг и его коллеги, состоит из сотен крошечные столбики высотой около 0,08 миллиметра, шириной с человеческий волос. Они расположены в виде сетки, разделенной расстоянием около 0,12 миллиметра. При попадании на поверхность капля воды покрывает около 100 столбиков.
Поскольку вода находится на поверхности, столбы прижимаются к капле воды, передавая больше тепла внутрь и позволяя воде чтобы быстрее закипело. Это означает, что эффект Лейденфроста можно наблюдать в течение миллисекунд и при гораздо более низких температурах, чем на плоской поверхности, такой как электроплита или сковорода.
Фактически, команде удалось вызвать левитацию Лейденфроста. при температуре 130 градусов Цельсия, что намного ниже, чем 230 градусов Цельсия, которые они оценили как типичные для эффекта в этих условиях.
Теперь вода является отличной средой для охлаждения. Вода кипит и испаряется при температуре около 100 градусов по Цельсию (она немного меняется в зависимости от высоты). Жидкая вода не может быть горячее этой точки кипения, поскольку она превращается в пар.
Вот почему этот человек смог сварить суп в полиэтиленовом пакете на огне: тепло передается воде, чего не может превышать температуру плавления пластика (обратите внимание: не делайте этого, в пластике содержатся химические вещества, которые нежелательны для вашего супа).
Поэтому поверхность микростолбиков обеспечивает более эффективный механизм теплопередачи, который могут быть намного безопаснее, чем используемые в настоящее время технологии водяного охлаждения, говорят исследователи, помогая предотвратить опасные аварии, такие как взрывы пара.
«Взрывы пара происходят, когда пузырьки пара внутри жидкости быстро расширяются из-за [ присутствие поблизости интенсивного источника тепла. Одним из примеров того, где этот риск особенно актуален, являются атомные электростанции, где структура поверхности теплообменников может влиять на рост пузырьков пара и потенциально вызывать такие взрывы», — говорит инженер Вен Хуанг из Технологического института Вирджинии.
«Благодаря нашему теоретическому исследованию в статье мы исследуем, как структура поверхности влияет на режим роста пузырьков пара, предоставляя ценную информацию о контроле и снижении риска паровых взрывов».
Исследование команды опубликовано в журнале Nature Physics.
