弗吉尼亞理工大學(xué)副教授 Jonathan Boreyko 和研究生 Mojtaba Edalatpour 發(fā)現(xiàn)了水的特性，這可以為兩個(gè)多世紀(jì)前建立的現(xiàn)象提供令人興奮的補(bǔ)充。這一發(fā)現(xiàn)還為僅使用水的基本特性在工業(yè)應(yīng)用中冷卻設(shè)備和工藝提供了有趣的可能性。他們的工作于 1 月 21 日發(fā)表在《物理評(píng)論流體》雜志上。
水可以存在于三個(gè)階段：冷凍固體、液體和氣體。當(dāng)熱量被施加到冰凍的固體上時(shí)，它就會(huì)變成液體。當(dāng)熱量施加于液體時(shí)，它就會(huì)變成蒸汽。
當(dāng)熱源足夠熱時(shí)，水的行為發(fā)生了巨大的變化。根據(jù)科學(xué)家的說法，沉積在鋁板上的水滴被加熱到 150 攝氏度或以上時(shí)，它將不再沸騰。相反，即將形成的蒸汽將被困在水滴下面，形成一個(gè)緩沖，防止液體與鋁板表面直接接觸。被困的蒸汽使液體懸浮起來，在鋁表面上跳動(dòng)。這種現(xiàn)象被稱為萊頓弗羅斯特效應(yīng)，以在 1751 年的出版物中首次描述它的德國醫(yī)生和神學(xué)家命名。
全屏冰在慢慢融化：萊頓弗羅斯特效應(yīng)示意。冰融化成液體，然后液體漂浮在加熱表面上方，由下方的蒸汽層懸浮。
這一普遍接受的科學(xué)原理適用于作為液體的水，該科學(xué)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)念一想，冰也會(huì)如此嗎?是否有可能出現(xiàn)固體、液體和蒸汽的三相萊頓弗羅斯特效應(yīng)?
大約五年前，好奇心引發(fā)了博雷科實(shí)驗(yàn)室的第一次調(diào)查，當(dāng)時(shí)的研究員觀察到，即使當(dāng)鋁被加熱到 150 攝氏度以上時(shí)，冰也沒有像液體那樣懸浮在水汽中。當(dāng)研究員繼續(xù)提高溫度，隨著熱量的增加觀察冰的行為。他們發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)懸浮的溫度明顯更高：550 攝氏度(1022 華氏度)，而不是 150 攝氏度。
在冰下究竟發(fā)生了什么，延長(zhǎng)了沸騰的時(shí)間? 研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)新的熱傳導(dǎo)方法，并將這些知識(shí)用于解決這個(gè)問題。他們發(fā)現(xiàn)，答案是冰層下的融水層的溫度差。融水層有兩個(gè)不同的極端：它的底部是沸騰的，這使溫度固定在大約 100 攝氏度;但它的頂部是粘附在冰上的，這使它固定在大約 0 攝氏度。
研究員解釋：冰在水層上獨(dú)特創(chuàng)造的溫差已經(jīng)改變了水本身的情況，因?yàn)楝F(xiàn)在來自熱鋁板的大部分熱量必須穿過水面來維持這種極端的溫差。所以只有極小部分的能量可以用來產(chǎn)生水汽。
“浮起冰塊比浮起水滴要難得多”，研究員繼續(xù)說，“ 一旦懸浮開始，傳熱就會(huì)急劇下降，因?yàn)楫?dāng)液體懸浮時(shí)，它不再沸騰了。這時(shí)，它跳動(dòng)在表面上而不是直接接觸，而接觸是導(dǎo)致它沸騰的原因。因此，對(duì)于熱傳遞，懸浮是糟糕的，煮沸更是不可思議的。”
對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景，研究人員表示，熱傳遞在冷卻計(jì)算機(jī)服務(wù)器或汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等物體方面發(fā)揮著很大作用。因?yàn)樗鼈冃枰环N物質(zhì)或機(jī)制，可以將能量從熱表面移開，并快速重新分配熱量以減少金屬部件的磨損。
同時(shí)，在核電站中，也可以使用冰作為冷卻劑來誘使其快速冷卻。有可能避免當(dāng)年福島核電站災(zāi)難后，進(jìn)行冷卻核反應(yīng)堆時(shí)遇到的問題。
因?yàn)橐后w快速蒸發(fā)導(dǎo)致的萊頓弗羅斯特效應(yīng)，毫無疑問的干擾了福島核災(zāi)難后冷卻核反應(yīng)堆的效率，但冰冷卻劑卻可能會(huì)規(guī)避這一點(diǎn)。此外，冰冷卻劑在冶金方面也有潛在的應(yīng)用。這是因?yàn)槿绻饘俪尚秃罄鋮s速度太慢，金屬工具會(huì)變脆。所以為了使金屬更堅(jiān)固、更不易碎，有必要在很短的時(shí)間內(nèi)淬滅金屬的熱量。
該研究論文題為 "Using ice to boil water: Researcher makes heat transfer discovery that expands on 18th century principle"，已發(fā)表在 Physical Review Fluids 期刊上。期刊上。
