弗罗斯特医生

简介：　　 　　 　　往非常热的平底锅里倒水的话，水滴会浮在锅底表面，水蒸气层隔开，滑过平底锅底的场景也可能见过。这种奇怪的物理现象被称为莱顿弗洛斯特效应，实际上对于一系列工业和自然过程是重要的。 　　1756年，德国医生约翰·戈特罗布·赖顿弗洛斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）在一篇题为“论述普通水的性质”的文章中首先阐述了这种现象。他发现，当水接触到比沸点温度高得多的表面时，液滴马上蒸发，产生绝热蒸汽层，这种蒸汽使液滴悬浮在表面上。 　　数世纪前曾有过莱顿弗洛斯特效应的记述，但与之相关的特征仍有谜团。例如，在不同的研究报告中，水蒸气层的形成温度有显著的差异。这是莱顿弗洛斯特效应的重要未决问题：水蒸气层的形成和消散温度到底是多少。 　　在一些理论中，这个温度范围取决于不同类型的金属表面，并且被认为与水的盐含量有关。现在，玛丽大学的物理学家团队为了研究这个现象而开发了新的电气技术。 　　使用这种新技术，我们证明了光敏弗洛斯特水气相沉积层可以保持在比形成所需的温度低得多的温度。具体而言，发现来顿弗洛斯特水气相沉积层在240°C左右形成，并在约140°C处消失。他们将研究结果发表在“物理评论速报”上，也许在物理学的很多领域里有理论和实践的意义。 　　 　　在以往的研究中，很多物理学家都着眼于测量蒸汽层的温度，记录液体和金属表面之间的通量，还没有准确地发现蒸汽层最终如何消退。然而，观察到水蒸气层的消散伴随着液体和固体表面的接触和快速的爆炸沸腾。 　　在新的研究中，研究小组将重点放在雷顿弗斯特悬浮液滴的动力学上，例如它们如何移动和振动。这通常在非常高的温度下进行。这是因为水蒸镀层非常薄，形成时间短，所以对水蒸镀层的正确记述带来了问题。 　　利用新开发的高速电力技术，研究人员可以更准确地测量蒸汽层的厚度和动力学。这是一种探测系统的新方法，简单地说，可以将水蒸气层作为电路的一部分，然后测量它们的容量，从而在水蒸气层的形成过程中准确地检测其厚度的时间变化。 　　 　　这些图像显示了浸入水中的热金属圆柱形周围的水蒸气层的失效。水蒸气层最初在圆柱形棒的尖端失效，气泡在液体浸湿固体时迅速形成并垂直移动。在最初的图像和最后的图像之间有大约1毫秒的间隔，这个金属圆柱体的直径是1.6厘米照片来源：Harvey，Harper&Burton； 　　为了应用这种方法，研究人员用钛、铜、黄铜制成直径小于1英寸的金属圆柱体，在该圆柱体上涂上10微米的金箔以防止金属腐蚀。之后，对这些圆柱体进行了加热并浸入含有电极的水浴中的一系列实验。当形成了来顿frost蒸气层时，生成一个电容器。一个极板是正在水浴中的电极，另一个极板是金属圆柱的表面。 　　除了收集关于水蒸气层的一些测量数据之外，研究人员还用高速视频拍摄了从水蒸气层的形成到系统的自然冷却到蒸汽层的消失的整个过程。结果发现，稳定的水蒸气层的平均形成温度为240°C，准确的温度根据金属表面的类型而变化。令人惊讶的是，水蒸气层的形成温度约为240°C，但是无论哪种金属在水中的盐含量如何，直到水蒸气下降到140°C为止都不会消失。 　　这样的结果表明，莱顿弗洛斯特水蒸气层在比其形成所需的温度低得多的温度下持续存在，其失效点与蒸汽层本身的流体力学稳定性无关，而不是物质性质有关。当系统温度下降到140°C以下时，蒸汽层必定失效，这是你无法停止的情况。也就是说，这个阈值似乎是由纯流体动力学机制确定的，这一发现与以前的理论相反。 　　 　　研究人员认为，这项工作中最值得关注的发现是，“上限温度”形成了来顿弗洛斯特的水蒸气层，“下限温度”使水蒸气层失效。这是一个非常实用的发现，对于许多实验和工业来说，了解这个失效点的动态是很重要的。 　　另外，这项研究对探索喷气式喷火现象的行星科学也有价值。在自然界中，雷顿弗洛斯特水蒸气层也可以形成在从水和海底火山上升的岩浆之间的界面上。因此，火星也能观察到这种效果，但是在固体的二氧化碳块中，这些固体的二氧化碳是用干冰的蒸汽沿着火星的沙丘“冲浪”的。一部分研究人员提出，从以二氧化碳为燃料的“雷顿弗洛斯特引擎”中收集的能量可以提供人类可能扎根在火星上的能量。 　　但是，物理学家们还不能说明什么引起了蒸汽层的消失。研究人员说，为了理解蒸汽层在低温下的稳定性如何消失，进行了一系列的数值模拟。此外，新设计的高速电气技术也可以用于继续探索来顿弗洛斯特效应的奥义，以进一步描述这种效果。 　　#创意团队： 　　小雨 　　#参考源： 　　https://news.emory.edu/features/2021/09/esc-leidenfrost-effect-harvey-burton/index.html 　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.104501 　　https://phys.org/news/2021-09-unveils-minimum-temperature-droplets-levitating.html