Если бросить несколько капель на очень горячую сковороду, то можно увидеть, как они носятся и танцуют. Эти капли на самом деле парят. Если поверхность достаточно горячая, тепло испаряет ближайшую к ней сторону капли, создавая газовую подушку, на которой зависает остальная часть капли.
Это известно как эффект Лейденфроста, в честь немецкого врача Иоганна Готтлоба Лейденфроста, 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 ядерных градирен. Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Physics.
«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 и капель являются большим открытием в области 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 при температурах Лейденфроста, заключается в том, что значительная часть энергии от горячей поверхности отводится в виде пара, а не попадает в остальную часть капли.
Поверхность, которую разработал Ченг и его коллеги, состоит из сотен крошечных столбиков высотой около 0,08 миллиметра, то есть шириной с человеческий волос. Они расположены в виде сетки, разделенной расстоянием около 0,12 миллиметра. При попадании на поверхность капля воды покрывает около 100 столбов.
Когда вода находится на поверхности, столбы давят на каплю воды, передавая больше тепла внутрь и позволяя воде закипать быстрее. Это означает, что эффект Лейденфроста можно наблюдать в течение миллисекунд и при гораздо более низких температурах, чем на плоской поверхности, такой как плита или сковорода.
Фактически, команде удалось вызвать левитацию Лейденфроста при температуре 130 градусов по Цельсию, что намного ниже, чем 230 градусов по Цельсию, которые, по их оценкам, являются типичными для эффекта в этих условиях.
Вода является превосходной 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 приготовить суп в полиэтиленовом пакете на огне: тепло передается воде, которая не может превышать температуру плавления пластика (примечание: не делайте этого, в пластике есть химикаты, которые вы надеваете не хочу в твой суп).
Таким образом, поверхность микростолбов предлагает более эффективный механизм теплопередачи, который может быть намного безопаснее, чем используемые в настоящее время технологии водяного охлаждения, говорят исследователи, помогая предотвратить опасные аварии, такие как взрывы паров.
«Взрывы пара происходят, когда пузырьки пара внутри жидкости быстро расширяются из-за наличия поблизости интенсивного источника тепла. Одним из примеров того, где этот риск особенно актуален, являются атомные электростанции, где структура поверхности теплообменников может влиять на рост пузыря пара и потенциально спровоцировать такие взрывы», — говорит инженер Вен Хуанг из Технологического института Вирджинии. «Благодаря нашему теоретическому исследованию в статье мы изучаем, как структура поверхности влияет на режим роста пузырьков пара, предоставляя ценную информацию о контроле и снижении риска паровых взрывов».
