让冰悬浮?科学家发现新“不粘锅”效应

科技日报北京1月25日电 (实习记者张佳欣)你知道如何让一口普通锅变身“不粘锅”吗?当将其烧得很热时,即使锅中不放油,也能让食物不粘锅——这其实是利用了莱顿弗罗斯特效应。美国研究人员发现,冰也可以出现莱顿弗罗斯特效应,条件是表面加热到550℃。这一发现为工业应用中的水冷却设备和过程提供了更多有趣的可能。相关论文发表在21日的《物理评论·流体力学》上。

当热源足够热时,水的行为会发生巨大变化。弗吉尼亚理工学院副教授乔纳森·博雷科说,将水滴在加热到150℃或以上的铝板上,它不再沸腾。当液滴接近铝表面时,形成的蒸汽被困在液滴下方,形成一个缓冲垫,防止液体与表面直接接触。被困的蒸汽使液体悬浮,像空气曲棍球一样在加热的表面周围滑动——这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应,于18世纪首次被提出。

水能以固体、液体和气体3种状态存在,迄今为止,莱顿弗罗斯特效应是一种两相现象:蒸发的液体或升华的固体悬浮在其蒸气上。

博雷科实验发现,即使铝加热到150℃以上,冰也不会像液体那样悬浮在蒸气上。他继续提高温度后发现,悬浮的门槛要高得多:550℃。在达到这个门槛之前,冰下的融水继续在与表面直接接触的情况下沸腾,而不会表现出莱顿弗罗斯特效应。

研究发现,冰下融水层的温差导致沸腾时间延长。融水层有两个不同的极端:它的底部沸腾,这将温度固定在大约100℃,但它的顶部附着在剩余的冰上,这将它固定在大约0℃。实验模型揭示出,保持这种极端温差消耗了表面的大部分热量,这解释了为什么悬浮对冰来说更困难。

对于冰的莱顿弗罗斯特效应来说,550℃的高温条件非常重要。当加热时,冰块悬浮而非接触表面,不会造成热量蒸发。

热传递在冷却计算机服务器或汽车发动机方面发挥巨大作用,在冶金方面也有潜在的应用。例如,为了生产合金,需要对金属进行淬火,使金属变得更坚固而不脆化。如果用冰,将允许热量通过3种水相(固态、液态、气态)迅速释放,从而迅速冷却金属。

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