Ученые вскипятили воду без пузырьков

Американским физикам удалось совершить невозможное — заставить воду кипеть без образования пузырьков. Они подобрали материалы с такой поверхностью, которые опустили значение точки Лейденфроста для воды до ста градусов Цельсия. Эта технология поможет кораблестроителям спроектировать такие борта, которые существенно снизят трение судна о воду.

Фото:

О том, что такое эффект Лейденфроста, прекрасно знает каждая домохозяйка, даже если она никогда не слышала подобного словосочетания. А это всего лишь навсего явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем температура точки кипения данной жидкости, создает изолирующий слой пара, который и предохраняет ее от быстрого выкипания. Как говорится, все просто и наглядно.

В повседневной жизни эффект Лейденфроста проще всего наблюдать во время процесса приготовления пищи: ведь для оценки температуры на сковороду часто брызгают воду. И если температура достигла или уже превзошла ту самую точку Лейденфроста, то вода соберется в капли, которые будут "скользить" по поверхности металла и испаряться дольше, чем если бы это происходило в менее нагретой сковороде. То есть если этот эффект наблюдается, значит можно начинать печь блины или жарить мясо.

Ученые, которые занимаются исследованием данного эффекта, давно уже установили одну интересную особенность. Дело в том, что испарение жидкости при нем происходит без образования пузырьков. А все потому, что процесс испарения идет только на границе тел, а не во всем объеме жидкости. Во всем этом виноват тот самый пограничный слой пара — именно он является теплоизолятором, который не дает жидкости нагреться всей сразу.

Однако, если температура нагретого тела вдруг падает ниже этой точки Лейденфроста (кстати, для воды она составляет обычно чуть менее 200 градусов Цельсия), то спасительная "обертка" из пара исчезает. В результате жидкость приходит в непосредственный контакт с твердой и очень горячей поверхностью, скорость теплообмена резко увеличивается и все кончается ее взрывным вскипанием. Пузырьки же при этом, как это ни печально, образуются.

Ученые, занимающиеся проблемами трения судов о воду, которое уменьшает скорость перевозок и, соответственно, увеличивает затраты на них, уже давно хотели бы снизить значение точки Лейденфроста для воды — хотя бы до температуры ее закипания, а лучше еще ниже. Ведь тогда при трении корпуса о воду на границе двух фаз будет возникать стабильный слой пара, в результате которого это самое трение уменьшиться в несколько раз. Однако до сих пор их попытки не увенчались успехом — слишком уж сложно оказалось воплотить эту вполне разумную идею в жизнь.

И вот недавно исследователи из Массачусетского университета, похоже, наконец-то смогли решить эту проблему. Интересно, что сначала они вообще-то занимались совсем другой работой — пытались повысить эффективность систем охлаждения для мощных компьютеров. В работе речь шла о придании поверхности микрорельефа, в результате чего должна была улучшиться теплопередача между кипящей жидкостью и твердым телом.

Чтобы это выяснить, как именно это происходит, и какая поверхность будет лучше, инженеры работали со специальными образцами из кремния, имеющими различную степень шероховатости. И вот тут-то выяснилось, что чем более неровная поверхность, тем сильнее улучшается теплопередача. Так на квадратный сантиметр удалось достичь теплопроводности в 208 ватт, в то время как шероховатая поверхность превышала гладкую в шесть раз.

Пока практики экспериментировали с кремнием различной степени шероховатости, теоретики не теряли времени даром и составляли модель данного процесса. В итоге им удалось выяснить, что подобное улучшение теплопередачи — явление вполне закономерное — она улучшается именно на поверхности с выраженной микроструктурой из-за действия капиллярных сил. И тут исследователей осенила весьма нетривиальная идея — а может быть, структура с шероховатой поверхностью сможет понизить значение точки Лейденфроста для воды?

Эту идею сразу же решили реализовать на практике. Исследователи провели серию опытов, в которых использовали металлические сферы. Сначала их нагревали, а затем просто опускали в воду. Весь фокус состоял в том, что некоторые из таких сфер перед погружением предварительно обрабатывали либо химическими покрытиями, либо придавая микротекстуру, чтобы придать объектам водоотталкивающие свойства. Все процессы, которые происходили во время исследования, были записаны на видео.

И вот что в итоге получилось — шероховатым нагретым шарам удалось понизить точку Лейденфроста для воды практически в два раза, то есть до ее температуры кипения. На кадрах видеосъемки хорошо видно, что жидкость в месте контакта со сферой окружена слоем изолирующего пара. В результате чего она вскипает равномерно, без пузырьков. И всего-то при 100 градусах Цельсия!

Впрочем, исследователи уверены, что у них получится опустить значение точки Лейденфроста для воды еще ниже. Правда, пока эта возможность существует лишь на бумаге. Однако ученые планируют новую серию экспериментов, для которых специально подбирается особая текстура на поверхностях сфер. И если они пройдут успешно, то у кораблей впервые может появиться шанс обогнать самолеты….

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"