Коли краплі води левітують на гарячій рідині Для науки
Крапля на дуже гарячій плиті може левітувати замість того, щоб негайно випаровуватися. Цей «ефект Лейденфроста» проявляється також у нагрітій рідині. Нове дослідження показує, що в цьому випадку левітуюча крапля викликає конвективні рухи в рідині, що підтримує явище.
Крапля етанолу (з червоним барвником) левітує на ванні з силіконовою олією завдяки ефекту Лейденфроста. В його основі лежить шар пари за рахунок випаровування нижньої частини краплі.
Якщо капнути краплю води на сковороду, нагріту до трохи більше 100 ° C, вона випарується за лічені секунди. Але, протилежно інтуїтивно, якщо ми нагріємо ту саму каструлю приблизно до 200 ° C і знову поставимо на неї краплю води, вона починає стрибати і рухатися у всіх напрямках на гарячій поверхні майже хвилину перед випаровуванням. Крапля левітує: поступово випаровуючись, вода утворює під краплею тонкий шар пари, на якому вона плаває. Це явище, відоме як ефект Лейденфроста (або зважування), вивчали в різних конфігураціях, включаючи ту, де гаряча рідина замінює тверду поверхню. Бенджамін Собак з Брюссельського вільного університету та його колеги проаналізували конвекційні рухи, які потім відбуваються в гарячій рідині, і підтримують левітацію.
Це явище було описано в 1756 році німецьким лікарем Йоганом Готлобом Лейденфростом, який дав йому свою назву. З тих пір він був предметом великої роботи, зокрема тому, що він часто є руйнівним елементом в системах охолодження або опалення. Наприклад, коли активна зона реактора Чорнобильської електростанції почала перебігати, охолоджуюча рідина вже не могла виконувати свою роль через ефект Лейденфроста, що призвело до добре відомого драматичного результату. І навпаки, ефект Лейденфроста також можна використовувати для зменшення тертя або для транспортування невеликої кількості рідини (крапель) легко і без контакту з основою, по якій вони рухаються. Випадок твердої підкладки, нагрітої до температури вище температури випаровування рідини в краплі, є найбільш вивченою ситуацією, але деякі роботи також розглядали випадок рідких підкладок. У цьому контексті ми також можемо спостерігати "зворотний ефект Лейденфроста", коли саме рідина у ванні випаровується.
Однією з переваг рідинної ванни є те, що надлишок температури, необхідний для спостереження ефекту Лейденфроста, невеликий у порівнянні з твердими речовинами. Наприклад, достатньо нагріти ванну з силіконовою олією на 1 ° C вище температури випаровування етанолу, щоб левітувати там крапля цієї рідини, тоді як алюмінієвою пластиною потрібно перевищення 80 ° C. Шорсткість металу в порівнянні з гладкою поверхнею розділу рідин частково є причиною цієї різниці.
Ще однією помітною особливістю є те, що теплообмін, в якому переважає провідність у твердій підкладці, може бути домінованим конвекцією у випадку рідинної ванни. Бенджамін Собак та його колеги вивчали цю можливість.
Дослідники вивчали краплі двох різних рідин, етанолу та HFE-7100 (органічний розчинник, багатий фтором), на силіконовій масляній ванні, в якій флуоресцентні частинки, освітлені лазером, дозволяли спостерігати рухи. Команда виявила, що при подагрі ефект Лейденфроста змушує масляну ванну утворювати тороїдальний конвекційний вихор з вертикальною віссю. Більш дивно, що рух рідини у вихорі відрізняється залежно від складу краплі. З етанолом рідина рухається радіально всередину біля поверхні і занурюється вглиб до центральної осі. У HFE-7100 рух прямо протилежний.
Під дією Лейденфроста на силіконовій масляній ванні у ванні під краплею утворюється вихор.
Бенджамін Собак та його колеги визначили три задіяні механізми: рушійну силу пари, яка утворюється під краплею і виходить назовні (вона несе рідину з центру назовні), тиск Архімеда (випаровування краплі індукує передачу тепла від ванни до краплі; рідина для ванни потім місцево холоднішає під краплею і, отже, стає більш щільною; вона рухається вниз) і ефект Марангоні (локальна зміна температури на поверхні рідини під падіння призводить до коливання поверхневого натягу, який має тенденцію повертати рідину до центру).
Дослідники змоделювали ці механізми. Вони показали, що у випадку з HFE-7100 захоплення пари домінує і визначає напрямок потоку рідини через вихор. У випадку етанолу ефект Марангоні врівноважує вплив пари, але ми повинні додати тягу Архімеда, щоб знайти динаміку, що спостерігається в експерименті.
Етанол і HFE дають різні напрямки потоку, оскільки HFE набагато більш леткий і щільний, ніж етанол. "Під краплею HFE пароізоляційна плівка стає тоншою (бо більше подрібнюється краплею) і повинна евакуювати більше пари", пояснює Алексіс Дюшен, з Інституту електроніки, мікроелектроніки та нанотехнологій Лільського університету. «Швидкість, таким чином, більша, і пара більше« натирається »об рідину, що пояснює, чому в цьому випадку падіння пари є домінуючим ефектом, тоді як у випадку етанолу переважають два інші ефекти. Однак це просте бачення не може само по собі узагальнити все явище, оскільки інші фізичні параметри, такі як теплопровідність пари, повинні бути враховані, оскільки вони можуть змінювати як швидкість випаровування краплі, так і охолодження ванни. Врешті-решт, нам знадобилося багато цифрових симуляцій, щоб з’ясувати всі задіяні параметри ".
Який вплив ці дії в силіконовій масляній ванні впливають на ефект Лейденфроста? З механічної точки зору можна думати, що вони не мають ніякого впливу, оскільки швидкості знаходяться в порядку сантиметра в секунду, тоді як пара, що забезпечує левітацію, рухається до декількох метрів в секунду. З іншого боку, покращуючи тепловіддачу у ванні, конвекція, індукована левітуючою краплею, забезпечує достатню кількість енергії для випаровування частини краплі. Вир, незалежно від того, циркулює він в той чи інший бік, тому допомагає підтримувати ефект Лейденфроста і левітувати подагру. Цей результат, зокрема, пояснює, чому при дуже в'язких ваннах (де конвекція дуже повільна) ефект Лейденфроста не проявляється.
Однак це явище ще далеке від повного розуміння. «Питання про поріг (температура, при якій ефект проявляється вище температури випаровування), все ще залишається загадкою. Ми ще не знаємо, як правильно передбачити його значення, зазначає Бенджамін Шобак. Тому інтерес нашої роботи над рідким субстратом полягає в тому, щоб поширити вивчення ефекту Лейденфроста на нові ситуації, мати більш широке бачення і, можливо, отримати краще розуміння. "