Кипіння без бульбашок

Американським фізикам вдалося зробити неможливе - змусити воду кипіти без утворення бульбашок. Вони підібрали матеріали з такою поверхнею, які опустили значення точки Лейденфроста для води до ста градусів Цельсія. Ця технологія допоможе кораблебудівникам спроектувати такі борту, які суттєво знизять тертя судна про воду.

Про те, що таке ефект Лейденфроста, прекрасно знає кожна домогосподарка, навіть якщо вона ніколи не чула подібного словосполучення. А це всього лише навсього явище, при якому рідина в контакті з тілом значно більш гарячим, ніж температура точки кипіння даної рідини, створює ізоляційний шар пара, який і охороняє її від швидкого википання. Як то кажуть, все просто і наочно.

У повсякденному житті ефект Лейденфроста найпростіше спостерігати під час процесу приготування їжі: адже для оцінки температури на сковороду часто бризкають воду. І якщо температура досягла або вже перевершила ту саму точку Лейденфроста, то вода збереться в краплі, які будуть "ковзати" по поверхні металу і випаровуватися довше, ніж якби це відбувалося в менш розігрітій сковороді. Тобто якщо цей ефект спостерігається, значить можна починати пекти млинці або смажити м'ясо.

Вчені, які займаються дослідженням даного ефекту, давно вже встановили одну цікаву особливість. Справа в тому, що випаровування рідини при ньому відбувається без утворення бульбашок. А все тому, що процес випаровування йде тільки на кордоні тіл, а не в усьому об'ємі рідини. У всьому цьому винен той самий прикордонний шар пара - саме він є теплоізолятором, який не дає рідини нагрітися всій відразу.

Читайте також: Прогулянки по воді зроблять людину невразливою

Однак, якщо температура нагрітого тіла раптом падає нижче цієї точки Лейденфроста (до речі, для води вона становить зазвичай трохи менше 200 градусів Цельсія), то рятівна "обгортка" з пара зникає. В результаті рідина приходить в безпосередній контакт з твердою і дуже гарячою поверхнею, швидкість теплообміну різко збільшується і все закінчується її вибуховим скипанням. Бульбашки ж при цьому, як це не сумно, утворюються.

Вчені, що займаються проблемами тертя судів про воду, яка зменшує швидкість перевезень і, відповідно, збільшує витрати на них, вже давно хотіли б знизити значення точки Лейденфроста для води - хоча б до температури її закипання, а краще ще нижче. Адже тоді при терті корпусу про воду на кордоні двох фаз виникатиме стабільний шар пара, в результаті якого це саме тертя зменшитися в кілька разів. Однак до сих пір їх спроби не увінчалися успіхом - дуже вже складно виявилося втілити цю цілком розумну ідею в життя.

І ось недавно дослідники з Массачусетського університету, схоже, нарешті змогли вирішити цю проблему. Цікаво, що спочатку вони взагалі-то займалися зовсім іншою роботою - намагалися підвищити ефективність систем охолодження для потужних комп'ютерів. В роботі мова йшла про надання поверхні мікрорельєфу, в результаті чого повинна була покращитися теплопередача між киплячою рідиною і твердим тілом.

Щоб це з'ясувати, як саме це відбувається, і яка поверхня буде краще, інженери працювали зі спеціальними зразками з кремнію, що мають різну ступінь шорсткості. І ось тут-то з'ясувалося, що чим більше нерівна поверхня, тим сильніше поліпшується теплопередача. Так на квадратний сантиметр вдалося досягти теплопровідності в 208 ват, в той час як шорстка поверхня перевищувала гладку в шість разів.

Поки практики експериментували з кремнієм різного ступеня шорсткості, теоретики не втрачали часу дарма і становили модель даного процесу. В результаті їм вдалося з'ясувати, що подібне поліпшення теплопередачі - явище цілком закономірне - вона покращується саме на поверхні з вираженою микроструктурой через дії капілярних сил. І тут дослідників осінила вельми нетривіальна ідея - а може бути, структура з шорсткою поверхнею зможе знизити значення точки Лейденфроста для води?

Цю ідею одразу ж вирішили реалізувати на практиці. Дослідники провели серію дослідів, в яких використовували металеві сфери. Спочатку їх нагрівали, а потім просто опускали у воду. Весь фокус полягав у тому, що деякі з таких сфер перед зануренням попередньо обробляли або хімічними покриттями, або надаючи мікротекстур, щоб надати об'єктам водовідштовхувальні властивості. Всі процеси, які відбувалися під час дослідження, були записані на відео.

І ось що в підсумку вийшло - шорстким нагрітим кулях вдалося знизити точку Лейденфроста для води практично в два рази, тобто до її температури кипіння. На кадрах відеозйомки добре видно, що рідина в місці контакту зі сферою оточена шаром ізолюючого пара. В результаті чого вона закипає рівномірно, без бульбашок. І все-то при 100 градусах Цельсія!

Читайте також: Айкідо для комара - проходячи крізь краплі

Втім, дослідники впевнені, що у них вийде опустити значення точки Лейденфроста для води ще нижче. Правда, поки ця можливість існує лише на папері. Однак вчені планують нову серію експериментів, для яких спеціально підбирається особлива текстура на поверхнях сфер. І якщо вони пройдуть успішно, то у кораблів вперше може з'явитися шанс обігнати літаки ....

Читайте найцікавіше в рубриці "Наука і техніка"