Ученые расширили свойства принципа теплопередачи: использование льда для кипячения воды

Доцент Джонатан Борейко и аспирант Моджтаба Эдалатпур сделали открытие о свойствах воды, которое может стать захватывающим дополнением к феномену, установленному более двух веков назад.

Сообщается, что открытие также содержит интересные возможности для охлаждения устройств и процессов в промышленности, использующих только основные свойства воды.

Их работа была опубликована сегодня, 21 января, в журнале «Physical Review Fluids».

Вода может существовать в трех фазах: замерзшее твердое тело, жидкость и газ. Когда тепло применяется к замороженному твердому телу, оно становится жидкостью. При нагреве жидкости она превращается в пар. Этот элементарный принцип знаком каждому.

Однако, когда источник тепла становится достаточно горячим, поведение воды резко меняется. По словам Борейко, капля воды, нанесенная на алюминиевую пластину, нагретую до 150 градусов по Цельсию или выше, не будет кипеть.

Вместо этого пар, который образуется, когда капля приближается к поверхности, оказывается в ловушке под каплей, создавая подушку, препятствующую прямому контакту жидкости с поверхностью. Захваченный пар заставляет жидкость левитировать, скользя по нагретой поверхности, как шайба в аэрохоккее.

Это явление известно как эффект Лейденфроста, названный в честь немецкого врача и теолога, впервые описавшего его в публикации 1751 года.

Этот общепринятый научный принцип применим к воде как к жидкости, плавающей на слое пара.

Команда ученых во главе с Борейко задалась вопросом: может ли лед вести себя так же?

«Есть так много статей о левитации жидкости, что мы хотели задать вопрос о левитации льда», — сказал Борейко.

«Это началось как любопытный проект. В основе нашего исследования лежал вопрос о возможности трехфазного эффекта Лейденфроста с твердым телом, жидкостью и паром».

Любопытство вызвало первое исследование в лаборатории Борейко. То, что он наблюдал, было захватывающим.

Даже когда алюминий был нагрет выше 150° С, лед не парил в воздухе, как это делает жидкость. Наблюдая за поведением льда по мере увеличения температуры, ученый обнаружил, что порог для левитации был значительно выше — 550° C.

До этого порога талая вода подо льдом продолжала кипеть в прямом контакте с поверхностью, а не проявляла эффект Лейденфроста. .

Оказалось, что перепад температур в слое талой воды подо льдом имеет две разные крайности: его дно кипит, что фиксирует температуру около 100 ° C, но его верхняя часть прилипает к оставшемуся льду, что фиксирует температуру около 0 градусов.

«Разность температур, создаваемая льдом в толще воды, изменила то, что происходит в самой воде, потому что теперь большая часть тепла от нагревателя должна проходить через воду, чтобы поддерживать эту экстремальную разницу. Таким образом, для производства пара теперь можно использовать лишь малую долю энергии».

Команда изучила возможности практического применения нового свойства.

Теплопередача больше всего нужна для охлаждения таких вещей, как компьютерные серверы или автомобильные двигатели. Для этого требуется вещество или механизм, который может отводить энергию от горячей поверхности, быстро перераспределяя тепло, чтобы уменьшить износ металлических деталей.

На атомных электростанциях применение льда для быстрого охлаждения может стать легко применяемой аварийной мерой в случае отключения электроэнергии или обычной практикой обслуживания деталей электростанции.

Есть также потенциальное применения в области металлургии. Для производства сплавов необходимо гасить тепло от металлов, которые были сформированы в течение узкого промежутка времени, делая металл более прочным и менее хрупким. Если бы применялся лед, это позволило бы быстро отводить тепло через три водные фазы, быстро охлаждая металл.

Источник

ученые наука вода