用冰来煮水:热传递的发现扩展了18世纪的物理学原理

弗吉尼亚理工大学副教授Jonathan Boreyko和研究生Mojtaba Edalatpour发现了一个关于水的特性,它可以为两个多世纪前的一个现象提供一个令人兴奋的补充。这一发现也为仅使用水的基本特性的工业应用中的冷却设备和过程提供了有趣的可能性。他们的工作于1月21日发表在《 Physical Review Fluids》杂志上。

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水以固态、液态和气态三种状态存在。当对冰加热时,它就变成了液体。当对液态水加热时,它就会变成蒸汽。当热源足够热时,水的行为发生了巨大的变化。根据Boreyko的说法,沉积在铝板上的水滴被加热到150摄氏度或以上,将不再沸腾。相反,当水滴接近表面时形成的蒸汽将被困在水滴下面,形成一个缓冲,防止液体与表面直接接触。被困的蒸汽使液体悬浮起来,像空气曲棍球一样在加热的表面上滑动。这种现象被称为“莱顿弗罗斯特现象”(Leidenfrost Phenomenon),以在1751年的出版物中首次描述它的德国医生和神学家命名。

这一普遍接受的科学原理适用于作为液体的水,漂浮在蒸汽床上。Boreyko的团队发现他们在想。冰能以同样的方式进行吗?

Boreyko说:“有这么多关于悬浮液体的论文,我们想问关于悬浮冰的问题。这开始是一个令人好奇的项目。推动我们研究的是这样一个问题:是否有可能出现固态、液态和气态的三相莱顿弗罗斯特效应。”

大约五年前,好奇心引发了Boreyko实验室的第一次调查,其形式是当时的本科生Daniel Cusumano的一个研究项目。他观察到的情况很吸引人。即使当铝被加热到150摄氏度以上时,冰也没有像液体那样悬浮在水汽中。Cusumano诺继续提高温度,随着热量的增加观察冰的行为。他发现悬浮的阈值明显更高:550摄氏度,而不是150摄氏度。直到这个阈值,冰下的融水继续与表面直接接触而沸腾,而不是表现出莱顿弗罗斯特效应。

在冰下发生了什么,延长了沸腾的时间?不久之后,研究生Mojtaba Edalatpour重新接手了这个项目,以解开这个谜团。Edalatpour一直与Boreyko合作,开发新的热传导方法,并将这些知识用于解决这个问题。答案是冰层下的融水层的温度差。融水层有两个不同的极端。它的底部是沸腾的,这使温度固定在大约100摄氏度,但它的顶部是粘附在剩余的冰上的,这使它固定在大约0摄氏度。

Boreyko阐述说:“冰在水层上独特创造的温差已经改变了水本身发生的情况,因为现在来自热板的大部分热量必须穿过水面来维持这种极端的温差。所以只有极小部分的能量可以用来产生水汽了。”

“浮起冰块比浮起水滴要难得多,”Boreyko说。“一旦悬浮开始,传热就会急剧下降,因为当液体悬浮时,它不再沸腾了。它漂浮在表面而不是接触,而接触是导致它沸腾的原因。因此,对于热传递,悬浮是可怕的。煮沸是不可思议的。”

当该团队探索实际应用的可能性时,他们参考了现有的工作。由于Edalatpour在热传导方面有广泛的研究,这个主题成为一个合乎逻辑的选择。

热传递在冷却计算机服务器或汽车发动机等方面发挥了最大作用。它需要一种能够将能量从热表面移开的物质或机制,迅速重新分配热量,以减少金属部件的磨损。在核电站中,应用冰来诱导快速冷却可以成为在电力故障时容易部署的应急措施,或成为维修电站部件的常规做法。

在冶金学方面也有潜在的应用。为了生产合金,有必要在一个狭窄的时间窗口内对已经成型的金属进行淬火,使金属变得更坚固。如果应用冰,它将允许热量通过三个水相快速传递,迅速冷却金属。

Boreyko还预见到了在消防方面的应用潜力。他说:“你可以想象有一个特制的软管,喷洒冰片,而不是喷水。这不是科幻小说。我访问了一家拥有结冰隧道的航空航天公司,他们已经拥有这种技术,喷嘴喷出的是冰粒,而不是水滴。”

有了无数的可能性,Boreyko和Edalatpour对科学界出现的新贡献感到兴奋。回顾过去的五年,他们仍然将这一激动人心的发展归功于他们共同的好奇心火花和研究中的创新动力。

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