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原理 09-26

一个常见物理现象的新发现

你或许也目睹过这样的场景:当将水倒入一个非常热的平底锅中时,水滴悬浮在锅底的表面,隔着水蒸气层在平底锅的锅底滑动。这种奇怪的物理现象被称为莱顿弗罗斯特效应,其实,它对于一系列的工业和自然过程都很重要。

视频来源:Emory University

1756 年,德国医生约翰 · 戈特洛布 · 莱顿弗罗斯特(Johann Gottlob Leidenfrost)在《论普通水的性质》一文中对这种现象进行了首个描述。他发现当水接触到比其沸点温度高得多的表面时,液滴会立即蒸发,产生一层隔热的蒸汽层,这层蒸汽会使液滴悬浮在表面之上

虽然早在几个世纪前我们就有了莱顿弗罗斯特效应的描述,但与之有关的特征都仍存在谜题。比如在不同研究报告中,水蒸汽层的形成温度具有显著差异。这便是莱顿弗罗斯特效应的一个关键的未决问题:水蒸汽层的形成和消散温度究竟是多少?

一些理论认为,这个温度范围取决于不同类型的金属表面,甚至与水的含盐量有关。现在,埃默里大学的一个物理学家团队开发了一种新的电技术来研究这种现象。

利用这种新的技术,他们证明了莱顿弗罗斯特水蒸气层可以在远低于其形成所需的温度下维持。具体来说,他们发现莱顿弗罗斯特水蒸气层在 240 ℃左右形成,并在约 140 ℃时消散。他们将研究结果发表在《物理评论快报》上,或许对物理学的多个领域都有其理论和实践意义。

在过往的研究中,物理学家大多将关注点集中在测量蒸气层的温度和记录液体与金属表面之间的通量上,他们还没有确切地发现蒸汽层最终是如何消散的。不过,他们已经观察到的是,蒸汽层的消散伴随着液体与固体表面的接触和迅速的爆炸性沸腾

在新的研究中,研究团队将关注点聚焦在莱顿弗罗斯特悬浮液滴的动力学,比如它们如何移动、振荡等等。这通常是在非常高的温度下进行的。这给精确地描述水蒸气层带来了挑战,因为水蒸气层非常薄,且形成时间很短。

运用新开发的高速电气技术,研究人员能够以更精确的方式来测量蒸汽层的厚度和动力学。这是一种探测系统的新方法,简单来说,他们将水蒸汽层当作电路的一部分,然后测量它们的电容,从而可以在水蒸气层的形成过程中精确地检测其厚度随时间的变化

这些图像显示了在一个浸入在水中的热的金属圆柱形周围的水蒸汽层的失效。水蒸汽层最初是在圆柱形棒的顶端失效,气泡会在液体浸湿固体时迅速形成并垂直向上移动。第一张和最后一张图像之间大约间隔了 1 毫秒,这个金属圆柱体的直径为 1.6 厘米。| 图片来源:Harvey, Harper & Burton

为了应用这种方法,研究人员用钛、铜和黄铜制作了直径不到一英寸的金属圆柱体,然后在这个圆柱体上涂上了 10 微米的金箔,以防止金属腐蚀。随后,他们进行了一系列实验,让这些圆柱体受热并浸入到含有一个电极的水浴中。当莱顿弗罗斯特蒸汽层形成时,一个电容器就产生了 —— 其中一个极板是水浴中的电极,另一个极板是金属圆柱体的表面

除了收集与水蒸气层有关的一些测量数据外,研究人员还用高速视频拍摄水蒸汽层从形成到系统自然冷却至蒸汽层消散的整个过程。结果显示,稳定的水蒸汽层的平均形成温度为 240 ℃,精确的温度会根据金属表面的类型变化。令人惊讶的是,他们发现,虽然水蒸汽层的形成温度约为 240 ℃,但无论是哪种金属,也无论水中的含盐量为多少,当温度降至 140 ℃之前,水蒸气都不会消失

这样的结果证明,莱顿弗罗斯特水蒸气层可以在比其形成所需的温度低得多的温度下持续存在,且它的失效点与蒸汽层本身的流体力学稳定性有关,而非物质特性。一旦系统温度降到 140 ℃以下,蒸汽层必定失效,这是你无从阻止的情况。也就是说,这一阈值似乎由是一种纯粹的流体力学机制决定的,这一发现与以前的理论相反。

研究人员认为,这项工作中最值得一提的发现是,似乎存在一个“上限温度”让莱顿弗罗斯特水蒸汽层形成,以及一个“下限温度”让水蒸气层失效。这是一个非常实用的发现,对于许多实验和工业来说,了解这个失效点的动态都是很重要的。

此外,这项研究还对于探索像喷气喷发这样的现象的行星科学也很有价值。在自然界中,莱顿弗罗斯特水蒸气层也可以在水与从海底火山上升的岩浆之间的界面上形成。因此我们在火星上甚至也可以观察到这种效应,不过不是在液体中,而是在固态的二氧化碳块中,这些固态的二氧化碳以干冰的蒸汽沿着火星上的沙丘“冲浪”。一些研究人员提出,从二氧化碳为燃料的“莱顿弗罗斯特引擎”中收集的能量,有朝一日或许可以为人类在或许火星上定居提供能源。

不过,物理学家们现在还无法解释究竟是什么引发了蒸汽层的消失。研究人员表示,他们正在进行一系列的数值模拟,以了解蒸汽层的稳定性在低温下是如何消失的。另外,新设计的高速电气技术还将可以用于继续探索莱顿弗罗斯特效应的奥秘,从而进一步地描述这个效应。

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