Журнал Nature представил работу физиков, которые смогли показать, что реально создать при более низкой температуре слой пара, который служит предохранителем каплям воды на раскаленной сковороде, не позволяя им мгновенно испариться. Каким образом данное явление может принести весомый вклад в сокращение энергетических затрат при перевозках, а именно при транспортировке водным путем, разбирались эксперты журнала Биржевой лидер.
Эффект Лейденфроста – так называется действие, которое делает возможным наблюдать капли воды на раскаленной сковороде не испарившимися мгновенно, а катающимися по металлу, подобно шарикам ртути. Физики рассказывают, что в таком случае пузырьки не принимают участие в испарении, а именно парообразование происходит не в объеме жидкости, а только на границе тел. Какие физические процессы объясняют данный феномен?
Как объясняют специалисты, подобное явление возможно благодаря тому, что тело, нагретое до определенной температурной отметки, контактирует с жидкостью, а между ними происходит образование пара, который как раз мешает происходить процессу теплообмена. Данная конкретная температура именуется точка Лейденфроста. Вода обычно для этого должна быть нагрета почти до двухсот градусов Цельсия.
Если же нагретое тело вдруг остынет, потеряет температуру, тогда из-за исчезновения слоя пара происходит непосредственный контакт жидкости с твердым веществом. Происходит резкий скачок скорости теплообмена, а весь объем жидкости буквально вскипает в считанные секунды.
Для проведения опытов авторы работы использовали металлические сферы, которые затем опускали в воду. Некоторые из сфер перед опусканием в жидкую среду предварительно обрабатывали либо химическими покрытиями, либо придавая микротекстуру, чтобы придать объектам водоотталкивающие свойства. Все процессы, которые происходили во время исследования, были записаны на видео.
В процессе опытов выяснилось, что при увеличении водоотталкивающих свойств твердого тела становится возможным опустить точку Лейденфроста. А именно, явление может наблюдаться при температуре кипения жидкости. Тогда это происходит без образования пузырьков.
Что это дает ученым? Теперь они могут допускать теорию, что даже при температуре ниже точки закипания может быть осуществима стабилизация пара на границе жидкости. Впрочем, физики пока не смогли этого осуществить на практике, все предположения существуют лишь на бумаге. Однако впереди новые исследования. Если же произойдет демонстрация данного феномена, тогда грядет новая эпоха в кораблестроении. Специалисты предлагают использовать стабилизированный слой пара между водой и корпусом судна. В таком случае при передвижении водного транспорта будет существенно трение, что, естественно, повлияет на энергозатраты и поможет их уменьшить.
Стоит отметить, что ранее исследователи Массачусетского технологического института занимались изысканиями, которые помогут создать более эффективные системы охлаждения. Разработка сможет быть применима как в сфере компьютерной техники и другой электроники, как и в области атомной и классической энергетики.
В нескольких словах можно сказать, что речь идет о придании поверхности микрорельефа, в результате чего улучшается теплопередача между кипящей жидкостью и твердым телом. Чтобы это выяснить, инженеры использовали специальные образцы из кремния, имеющие различную степень шероховатости. Выяснилось, что именно данный фактор становится решающим при соприкосновении тела с кипящей жидкостью. Так, на квадратный сантиметр удалось достичь теплопроводности в 208 ватт, в то время, как шероховатая поверхность превышала гладкую в шесть раз.
Кроме работы с кремниевыми прототипами, физики трудились также еще над одним вопросом. Специалисты смогли разработать математическую модель теплопередачи, которая происходит на границе раздела фаз. С помощью данной разработки ученые смогли получить очень точное предсказание по полученным экспериментальным данным. Таким образом, теплопередача улучшается именно на поверхности с выраженной микроструктурой из-за капиллярных сил.
Автор: Юлия Богословская
