Левитиращ лед при ефекта на Лайденфрост (видео)

Едно скорошно откритие за свойствата на водата може да даде интересно допълнение към феномен, установен преди повече от два века.

Откритието съдържа и интересни възможности за охладителни устройства и процеси в промишлени приложения, използващи само основните свойства на водата. Тази работа на доцент Джонатан Борейко (Jonathan Boreyko) и Можтаба Едалатпур (Mojtaba Edalatpour) от Политехническия институт на Вирджиния е публикувана в списание Physical Review Fluids.

Водата може да съществува в три фази: замръзнало твърдо вещество, течност и газ. Когато се приложи топлина към твърдото вещество, то се превръща в течност. Когато се приложи към течността, тя се превръща в пара. Този елементарен принцип е познат на всеки.

Когато източникът на топлина е достатъчно горещ, поведението на водата се променя драстично. Когато капчица вода падне върху алуминиева плоча, загрята до 150 градуса по Целзий или повече, парата, която се образува, когато капката се приближи до повърхността, ще бъде уловена под капката, създавайки възглавница, която предотвратява пряк контакт на течността с нагрятата повърхност. Уловената пара кара капката да левитира, плъзгайки се по нагрятата повърхност като шайба за  хокей. Това явление е известно като ефектът на Лайденфрост, кръстен на немския лекар и теолог, който за първи път го описва в публикация от 1751 г.

_{Ефектът на Лайденфрост за капчица вода. Кредит: Wikimedia Commons}

Този общоприет научен принцип се прилага за водата като течност, левитираща върху слой пара. Екипът на Борейко решава да провери: Може ли ледът да се представи по същия начин?

„Има толкова много статии за левитиращата течност, че си зададохме въпроса има ли левитиращ лед“, разказва Борейко. „Това, което доведе до нашето изследване, бе въпросът дали е възможно да има трифазен ефект на Лайденфрост с твърдо вещество, течност и пара".

Да се заемем с леда

Първото изследване по този проект започва в лабораторията на Борейко преди около пет години. Тогава учените наблюдават нещо интересно. Дори когато алуминият се нагрява над 150° C, ледът не левитира върху парата, както прави течността. Те продължават да повишават температурата, наблюдавайки поведението на леда. Това, което откриват е, че прагът за левитация е драстично по-висок: 550° C, а не 150° C. До този праг стопената вода под леда продължава да кипи в директен контакт с повърхността, вместо да проявява ефекта на Лайденфрост .

_{Кредит: Edalatpour et al.}

Какво се случваше под леда, което удължава кипенето? Изследователите разработват нови методи за пренос на топлина и ги прилагат към този проблем. Оказва се, че отговорът е температурната разлика в слоя разтопена вода под леда. Слоят разтопена вода има две екстремн граници: дъното му кипи, което определя температура от около 100° C, но горната му част е прилепнала към останалия лед, което го фиксира на около 0° C. Моделът на Едалатпур показва, че поддържането на тази екстремна температурна разлика консумира по-голямата част от топлината на повърхността, което обяснява защо левитацията е по-трудна за леда.

„Температурната разлика, която ледът създава уникално през водния слой, промени това, което се случва в самата вода, защото сега по-голямата част от топлината от нагревателната плоча трябва да преминава през водата, за да поддържа тази екстремна разлика. Така че малка част от енергията остава за производство на пара", уточнява Борейко. 

_{Кредит: Edalatpour et al}.

Повишената температура от 550 градуса по Целзий за ледения ефект Лайденфрост има практическо значение. Кипящата вода по-добре отвежда топлината от основата, поради което усещаме да се издига обилна топлина от тенджера с вода, която кипи, но не и от тенджера с вода, която е просто гореща. Това означава, че трудността при левитирането на леда всъщност може да е нещо полезно, тъй като по-големият температурен прозорец за кипене ще доведе до по-добър топлопренос в сравнение с използването само на течност.

„Много по-трудно е да се накара да левитира лед, отколкото водна капка“, отбелязва Борейко. „Преносът на топлина рязко спада, веднага щом започне левитацията, защото когато течността левитира, тя вече не кипи. Тя по-скоро плува над повърхността, отколкото я докосва, а докосването я кара да изпарява топлината. Така че за пренос на топлина левитацията е ужасна. Кипенето е добро.”

Използване на лед за пренос на топлина

Преносът на топлина е най-важен за охлаждане на неща като компютърни сървъри или двигатели на автомобили. Изисква вещество или механизъм, който може да отделя енергията от гореща повърхност, преразпределяйки топлината бързо, за да намали износването и разрушаването на металните части. В атомните електроцентрали прилагането на лед за предизвикване на бързо охлаждане може да се превърне в лесно приложима аварийна мярка, ако спре захранването.

Има потенциални приложения и в металургията. За производството на сплави е необходимо да се смъкне топлината от металите, които са били оформени в тесен прозорец от време, което прави метала по-здрав и по-малко крехък. Ако се приложи лед, това ще позволи на топлината да се разтовари през трите водни фази, бързо охлаждайки метала.

Борейко предвижда и потенциал за приложения при гасенето на пожари.

„Представите си, че имате специално направен маркуч, който пръска ледени стърготини, а не водна струя. Това не е научна фантастика. Посетих аерокосмическа компания, която има тунел за обледеняване и те вече имат тази технология, при която дюза разпръсква ледени частици, а не водни капчици.“, разказва Борейко.

Справка: Three-phase Leidenfrost effect
Mojtaba Edalatpour, Daniel T. Cusumano, Saurabh Nath, and Jonathan B. Boreyko
Phys. Rev. Fluids 7, 014004 – Published 21 January 2022, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.014004

Източник: Using ice to boil water: Researcher makes heat transfer discovery that expands on 18th century principle
Virginia Tech

Още по темата

21/01/2022

Физика

Защо се използва сол за разтопяване на леда по пътищата?

22/03/2021

Физика

Свръхпроводници при стайна температура без екстремно налягане. Възможно ли е?

16/02/2021

Земята

Левитиращи задвижвани от светлината "летящи чинии" могат да изследват границата на атмосферата с космоса

10/03/2015

Космос

Марсиански електроцентрали на сух лед