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讓冰懸浮?科學家發現新“不粘鍋”效應

張佳欣
2022年01月26日08:54 | 來源:科技日報
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原標題:讓冰懸浮?科學家發現新“不粘鍋”效應

  你知道如何讓一口普通鍋變身“不粘鍋”嗎?當將其燒得很熱時,即使鍋中不放油,也能讓食物不粘鍋——這其實是利用了萊頓弗羅斯特效應。美國研究人員發現,冰也可以出現萊頓弗羅斯特效應,條件是表面加熱到550℃。這一發現為工業應用中的水冷卻設備和過程提供了更多有趣的可能。相關論文發表在21日的《物理評論·流體力學》上。

  當熱源足夠熱時,水的行為會發生巨大變化。弗吉尼亞理工學院副教授喬納森·博雷科說,將水滴在加熱到150℃或以上的鋁板上,它不再沸騰。當液滴接近鋁表面時,形成的蒸汽被困在液滴下方,形成一個緩沖墊,防止液體與表面直接接觸。被困的蒸汽使液體懸浮,像空氣曲棍球一樣在加熱的表面周圍滑動——這種現象被稱為萊頓弗羅斯特效應,於18世紀首次被提出。

  水能以固體、液體和氣體3種狀態存在,迄今為止,萊頓弗羅斯特效應是一種兩相現象:蒸發的液體或升華的固體懸浮在其蒸氣上。

  博雷科實驗發現,即使鋁加熱到150℃以上,冰也不會像液體那樣懸浮在蒸氣上。他繼續提高溫度后發現,懸浮的門檻要高得多:550℃。在達到這個門檻之前,冰下的融水繼續在與表面直接接觸的情況下沸騰,而不會表現出萊頓弗羅斯特效應。

  研究發現,冰下融水層的溫差導致沸騰時間延長。融水層有兩個不同的極端:它的底部沸騰,這將溫度固定在大約100℃,但它的頂部附著在剩余的冰上,這將它固定在大約0℃。實驗模型揭示出,保持這種極端溫差消耗了表面的大部分熱量,這解釋了為什麼懸浮對冰來說更困難。

  對於冰的萊頓弗羅斯特效應來說,550℃的高溫條件非常重要。當加熱時,冰塊懸浮而非接觸表面,不會造成熱量蒸發。

  熱傳遞在冷卻計算機服務器或汽車發動機方面發揮巨大作用,在冶金方面也有潛在的應用。例如,為了生產合金,需要對金屬進行淬火,使金屬變得更堅固而不脆化。如果用冰,將允許熱量通過3種水相(固態、液態、氣態)迅速釋放,從而迅速冷卻金屬。

(責編:申佳平、陳鍵)

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