科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種懸浮水的新方法

如果你在一個(gè)非常熱的平底鍋上輕彈一把水滴，你可以看到它們飛舞和跳舞。

信不信由你，這些液滴實(shí)際上是懸浮的。如果表面足夠熱，熱量會(huì)蒸發(fā)最接近它的液滴一側(cè)，形成一個(gè)氣墊，其余的液滴懸停在上面。

這被稱為萊頓弗羅斯特效應(yīng)，以德國(guó)醫(yī)生約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）的名字命名，他在18世紀(jì)記錄了這一現(xiàn)象。

現(xiàn)在，一組科學(xué)家已經(jīng)找到了一種方法來(lái)降低這種小水舞發(fā)生的溫度。具有微觀紋理的表面可以更有效地將熱量傳遞到液滴上，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)傳熱應(yīng)用（例如冷卻工業(yè)機(jī)械和核冷卻塔）具有重要意義。

“我們認(rèn)為微柱會(huì)改變這種眾所周知的現(xiàn)象的行為，但我們的結(jié)果甚至超出了我們自己的想象。機(jī)械工程師程景濤說(shuō)弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)。

“觀察到的氣泡-液滴相互作用是沸騰傳熱的一大發(fā)現(xiàn)。

我們已經(jīng)知道萊頓弗羅斯特效應(yīng)有一段時(shí)間了，它的參數(shù)也很好理解。要做到這一點(diǎn)，它需要足夠的熱量，使水在與熱板接觸時(shí)立即形成蒸汽，但又不能產(chǎn)生太多熱量，以至于整個(gè)水滴立即蒸發(fā)。

在萊頓弗羅斯特溫度下，水沒(méi)有完全蒸發(fā)的原因是，來(lái)自熱表面的很大一部分能量以蒸汽的形式被轉(zhuǎn)移出去，而不是進(jìn)入液滴的其余部分。

Cheng和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)的表面由數(shù)百根微小的柱子組成，這些柱子高約0.08毫米，大約是人類頭發(fā)的寬度。它們排列成網(wǎng)格，相隔約 0.12 毫米的距離。當(dāng)放置在表面上時(shí)，水滴覆蓋了大約 100 根柱子。

當(dāng)水停留在表面時(shí)，柱子壓入水滴中，將更多的熱量傳遞給內(nèi)部，并使水沸騰得更快。這意味著萊頓弗羅斯特效應(yīng)可以在幾毫秒內(nèi)觀察到，而且溫度比在電爐或煎鍋等平坦表面上要低得多。

事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)能夠在130攝氏度的溫度下誘導(dǎo)萊頓弗羅斯特懸浮，遠(yuǎn)低于他們估計(jì)的230攝氏度，這是這些條件下的典型效果。

現(xiàn)在，水是一種極好的冷卻介質(zhì)。水在 100 攝氏度左右沸騰和蒸發(fā)（因海拔高度而異）。液態(tài)水不能比這個(gè)沸點(diǎn)高，因?yàn)樗鼤?huì)變成蒸汽。

這就是為什么這個(gè)人是能夠用塑料袋在火上煮湯：將熱量傳遞到水中，不能超過(guò)塑料的熔點(diǎn)（注意：不要這樣做，塑料中含有您不希望在湯中加入的化學(xué)物質(zhì)）。

因此，研究人員說(shuō)，微柱表面提供了一種更有效的傳熱機(jī)制，可能比目前使用的水冷技術(shù)安全得多，有助于防止蒸汽爆炸等危險(xiǎn)事故。

“當(dāng)液體中的蒸汽氣泡由于附近[存在]強(qiáng)熱源而迅速膨脹時(shí)，就會(huì)發(fā)生蒸汽爆炸。這種風(fēng)險(xiǎn)特別相關(guān)的一個(gè)例子是在核電站中，熱交換器的表面結(jié)構(gòu)會(huì)影響蒸汽氣泡的增長(zhǎng)，并可能引發(fā)這種爆炸。工程師黃翁說(shuō)弗吉尼亞理工大學(xué)。

“通過(guò)我們?cè)谡撐闹械睦碚撎剿鳎覀冄芯苛吮砻娼Y(jié)構(gòu)如何影響蒸汽氣泡的生長(zhǎng)模式，為控制和減輕蒸汽爆炸的風(fēng)險(xiǎn)提供了有價(jià)值的見解。

該團(tuán)隊(duì)的研究已發(fā)表在自然物理.

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