这里的水不肯沸腾,于是科学家决定加点冰

  想要把水烧开,要用热源对水加热,可是热源如果热过头了,水反而不会再吸收热量了。这被称为“莱顿弗罗斯特效应”,由于这个效应,在需要对高温物体快速降温时,水反而不是一种很好的传热介质。而最近的一项研究提供了替代方案:不要用水,而要用冰传热。

  撰文 | 白德凡

  审校 | 二七

  高温反而不沸腾?

  众所周知,水存在固态、液态、气态三相。在1标准大气压下,把固态的冰加热到0℃,它会融化成液态的水;继续把水加热到100℃,它会沸腾汽化成气态的水蒸气。这是生活常识,也是人们对“相变”这种物理现象最直观的认知。

  然而这个常识并非在任何情况下都奏效。比如,如果将水滴到150℃的铝板上会发生什么?人们大概会觉得,热源的温度已经高于水的沸点了,水滴接触铝板后应当迅速汽化。然而如果你做一做实验,比如炒菜时,先把平底锅加热,再倒上水,你会发现水滴会悬浮在锅底上滑来滑去,维持一段时间的液态而不是迅速蒸发成水蒸气。这种现象人们很早就发现了,德国医生和神学家约翰·莱顿弗罗斯特(Johann Leidenfrost)在1751年最早描述了这种现象,因此它也被命名为“莱顿弗罗斯特效应”

  水在接触温度高于水沸点的热源后,反而不会沸腾,而是保持液态,这是为什么呢?原因其实很简单,水滴和高温热源的接触面上会蒸发出一个隔热的水蒸气层,它隔开了顶部的水和热源继续接触,从而阻断了整个水滴的沸腾过程。莱顿弗罗斯特效应带来了一些麻烦,如果你想让水尽快沸腾得到水蒸气的话,这个效应阻碍了热源向水传热的过程。早在蒸汽时代,许多锅炉设计师就发现,温度高的锅炉产生蒸汽的效率反而更低。另外,液态水经常被用作一种导热介质,而莱顿弗罗斯特效应的存在,使得在对一些高温物体降温的操作中,液态水并没有那么高效。

  而今年一月发表在《物理评论·流体》的一篇论文中,研究人员发现了一件好玩的事情:如果想要把热量从热源上迅速地转移,你不应该往热源上加水,而应该加冰。

  冰无法悬浮

  一开始,来自美国弗吉尼亚理工大学的研究人员好奇的问题是,莱顿弗罗斯特效应在冰接触高温热源时会不会也能发生,从而造成水蒸气、水、冰共存在热源上的现象。大约在五年前,本科生丹尼尔·库苏马诺(Daniel Cusumano)在实验中观察到,即使把铝板加热到150℃以上,与之接触的冰也不会像水一样悬浮起来。库苏马诺继续提高铝板温度,他发现,让冰悬浮起来的临界温度要高得多:大约550℃。没有到达这个临界温度时,冰接触热源,下层会融化成融水层,但融水层在接触热源时会保持液态,而不会汽化出一个蒸汽隔热层。这意味着融水层可以源源不断地从热源吸热。

  冰层下面发生了什么,让接触高温热源的液态水依然保持液态?不久之后,研究生穆杰塔巴伊(Mojtaba Edalatpour)重新启动了这项研究。他和副教授乔纳森·博瑞科(Jonathan Boreyko)合作建立了数值模型,以模拟冰在高温热源上的热传导过程。他们发现,问题的关键在冰下面融水层的温差上:融水层接触热源的一面温度固定在100℃,而接触上层冰面的一面温度固定在0℃。融水层从热源吸收的绝大部分热量都用来维持这个温差了,只有一小部分能量可以用来产生蒸汽,导致融水层和热源的接触面上并不会形成隔热蒸汽层。

  以0.2倍慢放的冰接触高温热源的变化过程。冰接触热源时,下部的融水层保持液态持续吸热,全部融化后,出现莱顿弗罗斯特效应,水悬浮了起来。(视频来源:Mojtaba Edalatpour)

  博瑞科解释说,冰难以产生莱顿弗罗斯特效应其实是一件好事,这种情况下传热效率更高。“一旦水在热源表面悬浮,传热过程就会受阻。所以,对于热传递来说,莱顿弗罗斯特效应是很糟糕的。”

  高效传热

  传递热量的需求在生活中如此常见——例如,我们需要冷却计算机服务器和汽车的引擎,因此需要找到一种物质或机制,可以将能量从热表面移走,迅速重新分配热量,以减少零件的热损耗。而水又是经常用到的传热介质,所以避免莱顿弗罗斯特效应是很有必要的。

  由于博瑞科团队的这个发现,我们可以期待在一些实践中用冰代替水来传热。比如在核电站,当发生电力故障时,用冰导热快速冷却或许可以成为一种应急措施。在冶金方面也有潜在的应用。为了生产合金,必须在较短时间内对成形的金属进行淬火,使其温度迅速降低,这样得到的合金才能拥有更高的强度。如果在淬火过程中使用冰而不是水,由于避开了莱顿弗罗斯特效应,热量得以迅速释放,从而能更迅速地冷却金属。

  博瑞科还预见了这种热传导方法在消防上的应用潜力。他说:“你可以想象一下,用一根特制的软管来喷洒冰屑,而不是喷水,这样可以更高效地扑灭明火。这不是小说剧情,我参观过一家拥有冰管道的航空公司,他们已经有了这种技术,用喷嘴喷射出冰粒而不是水滴来灭火。”

  或许对于普通人来说,如果想体验一下冰不发生莱顿弗罗斯特效应带来的好处,下次在炒菜前需要加水时,可以换做加冰试一试。

  参考来源:

  https://vtx.vt.edu/articles/2022/01/eng-boreyko-boiling-ice-012022.html

  论文链接:

  https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.7.014004

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