一面结冰，一面沸腾
一面结冰，一面沸腾Original Måka
原理 2022-01-29 20:33
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固体的冰、流动的液体、缥缈的水蒸气……我们都知道水有三相。加热冰时，它会变成水，如果继续加热，它就会变成水蒸气。任何在大热天观察过一杯冰茶，或者烧开一壶水煮意大利面的人，都不会对这些司空见惯的基本原理感到陌生。
但与水有关的有趣性质远不止这些。比如，当热源足够大，温度远超过沸点（100℃）时，事情可能会有不一样的发展。
你可能在厨房里注意过，如果把水滴在一个被加热到过热的平底锅表面，水滴可以悬浮在表面之上，隔着蒸汽在平底锅底滑动。这种有趣的现象被称为莱顿弗罗斯特效应。
近日，一项新研究发现了有关莱顿弗罗斯特效应的一种令人兴奋的补充，也就是三相莱顿弗罗斯特效应（three-phase Leidenfrost effect）。研究人员发现了有关让冰悬浮在表面的莱顿弗罗斯特效应的临界温度，并揭示了其中的传热模型。研究已于近日发表在《物理评论·流体》上。
莱顿弗罗斯特效应
除了普通的固液气三相，当热源足够热时，水的行为也可能发生巨大的变化。莱顿弗罗斯特效应的出现就是其中一个例子。
比如，在一块远超过水的沸点的铝板上，其表面的水滴就不会再沸腾。相反，水滴接近表面时形成的蒸汽会被“困”在水滴下方，形成一种缓冲垫，防止液体与表面直接接触。被困的蒸汽使液体飘浮起来，像空气冰球一样在加热的表面上滑动。这种现象以在1751年首次描述它的德国医生和神学家约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）命名。
尽管我们已经知道莱顿弗罗斯特效应已经超过200年，但它仍在一直带给物理学家惊喜。近年来，许多新研究也发现了这种神奇现象的更多特征，包括水蒸气层形成和消散的临界温度、三重莱顿弗罗斯特效应等。（详见《一个常见物理现象的新发现》《弹、弹、弹～》。）
这一普遍接受的科学原理适用于液体水悬浮在水蒸气的气垫上，这也引发了一些研究人员的好奇。他们想知道，如果把水换成冰，事情能以类似的方式发展吗？换言之，三相莱顿弗罗斯特效应有可能发生吗？
进入冰的领域
大约五年前，好奇心引发了团队的初次研究。他们观察到的情况非常吸引人。
如果把水滴换成冰，即使当铝板被加热到超过150℃，冰也没有像液体水那样悬浮在水蒸气中。研究人员继续提高温度，并随着热量的增加观察冰的行为。
他们最终发现，悬浮的温度阈值明显更高，达到了约550℃。在这个阈值之下，冰下方的融水会继续与表面直接接触而沸腾，并不会表现出莱顿弗罗斯特效应。
在冰的下方究竟发生了什么，从而能将莱顿弗罗斯特效应抑制在非常高的温度上？
不久之后，团队发展出了新的传热方法，并将这些知识用于解决这个问题。他们找到答案是冰下方融水层的温度差。
融水层顶部和底部处于两个几乎截然相反的极端，它的底部接触热表面，是沸腾的，这使温度固定在了约100℃，但它的顶部则粘附在剩余的冰上，也就是说，它稳定在约0℃。
模拟显示，维持这种极端的温差消耗了表面的大部分热量。这样一来，来自热表面的大部分热量必须穿过水层来维持这种极端的温差，所以只有极小一部分的能量可以用来产生水蒸气。这也解释了为什么对冰来说，莱顿弗罗斯特效应更难发生。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPia6MAdCBsE0BvztptACAUUAyKicSJgDuYcjUss5OQy3FND1ibMA9q3PaicZOXDxxQevU0gU8Uje5gcA/640?wx_fmt=jpeg实验中在不同温度下冰的行为变化。| 图片来源：Mojtaba Edalatpour / Virginia Tech Mechanical Engineering
科学家认为，从传热的应用角度来说，将莱顿弗罗斯特效应抑制在高温下发生，实际上是一件好事。
因为沸腾的水会最大程度地将热量从下部输送出去，一旦悬浮开始，传热就会急剧下降，因为此时液体就不再沸腾了。而莱顿弗罗斯特效应发生的温度越高，就意味着沸腾的温度窗口更大，传热也将会更好地发生。
利用冰传热
传热在冷却计算机服务器或者汽车发动机等方面具有重要的作用。它需要一种能够将能量从热表面移除的物质或机制，迅速重新分配热量，从而减少金属部件的磨损。
研究人员相信，这一发现有无数应用的可能前景。比如，在核电站中，应用冰来诱导快速冷却可以成为电力故障时容易部署的应急措施，或者成为维修电站部件的常规做法。它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，使金属变得更强、更脆。如果应用冰，它将允许热量通过三个相快速卸载，快速冷却金属。
#创作团队：
编译：Måka排版：雯雯
#参考来源：
https://vtx.vt.edu/articles/2022/01/eng-boreyko-boiling-ice-012022.htmlhttps://arstechnica.com/science/2022/01/study-leidenfrost-effect-occurs-in-all-three-water-phases-solid-liquid-and-vapor/#图片来源：
封面图：Max Pixel首图：Max Pixel
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