科学家发现了一种悬浮水的新方法

如果你在一个非常热的平底锅上轻弹一把水滴,你可以看到它们飞舞和跳舞。

信不信由你,这些液滴实际上是悬浮的。如果表面足够热,热量会蒸发最接近它的液滴一侧,形成一个气垫,其余的液滴悬停在上面。

这被称为莱顿弗罗斯特效应,以德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特(Johann Gottlob Leidenfrost)的名字命名,他在18世纪记录了这一现象。

现在,一组科学家已经找到了一种方法来降低这种小水舞发生的温度。具有微观纹理的表面可以更有效地将热量传递到液滴上,这一发现对传热应用(例如冷却工业机械和核冷却塔)具有重要意义。

“我们认为微柱会改变这种众所周知的现象的行为,但我们的结果甚至超出了我们自己的想象。机械工程师程景涛说弗吉尼亚理工学院和州立大学。

“观察到的气泡-液滴相互作用是沸腾传热的一大发现。

我们已经知道莱顿弗罗斯特效应有一段时间了,它的参数也很好理解。要做到这一点,它需要足够的热量,使水在与热板接触时立即形成蒸汽,但又不能产生太多热量,以至于整个水滴立即蒸发。

在莱顿弗罗斯特温度下,水没有完全蒸发的原因是,来自热表面的很大一部分能量以蒸汽的形式被转移出去,而不是进入液滴的其余部分。

Cheng和他的同事们设计的表面由数百根微小的柱子组成,这些柱子高约0.08毫米,大约是人类头发的宽度。它们排列成网格,相隔约 0.12 毫米的距离。当放置在表面上时,水滴覆盖了大约 100 根柱子。

当水停留在表面时,柱子压入水滴中,将更多的热量传递给内部,并使水沸腾得更快。这意味着莱顿弗罗斯特效应可以在几毫秒内观察到,而且温度比在电炉或煎锅等平坦表面上要低得多。

事实上,该团队能够在130摄氏度的温度下诱导莱顿弗罗斯特悬浮,远低于他们估计的230摄氏度,这是这些条件下的典型效果。

微柱之间出现的气泡也能够帮助清除表面的污垢。(Huang et al.,Nat. Phys., 2024)

现在,水是一种极好的冷却介质。水在 100 摄氏度左右沸腾和蒸发(因海拔高度而异)。液态水不能比这个沸点高,因为它会变成蒸汽。

这就是为什么这个人是能够用塑料袋在火上煮汤:将热量传递到水中,不能超过塑料的熔点(注意:不要这样做,塑料中含有您不希望在汤中加入的化学物质)。

因此,研究人员说,微柱表面提供了一种更有效的传热机制,可能比目前使用的水冷技术安全得多,有助于防止蒸汽爆炸等危险事故。

“当液体中的蒸汽气泡由于附近[存在]强热源而迅速膨胀时,就会发生蒸汽爆炸。这种风险特别相关的一个例子是在核电站中,热交换器的表面结构会影响蒸汽气泡的增长,并可能引发这种爆炸。工程师黄翁说弗吉尼亚理工大学。

“通过我们在论文中的理论探索,我们研究了表面结构如何影响蒸汽气泡的生长模式,为控制和减轻蒸汽爆炸的风险提供了有价值的见解。

该团队的研究已发表在自然物理.

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