Команда фізиків з США спільно з колегами із Франції знайшли спосіб змусити кригу «левітувати» над розпеченою поверхнею. Вони поширили на лід ефект Ляйденфроста, завдяки якому шайбу із льоду вдалося підняти у повітря на подушці з пари і талої води. Тільки якщо воді на подібний трюк потрібна поверхня, нагріта до 150 градусів Цельсію, то кризі знадобилася на 400 градусів гарячіша. Спостережувану комбінацію пара-вода-тверде тіло вчені назвали трифазним ефектом Ляйденфроста та планують протестувати і на інших речовинах. Стаття з описом експерименту і аналітичною моделлю доступна у журналі Physical Review Fluids.
Mojtaba Edalatpour at al. / Physical Review Fluids, 2022
На що впливає ефект Ляйденфроста?
Ефект Ляйденфроста, коли нагріта рідина левітує над власною парою, відомий вже багато століть, але все ще залишається широкою областю досліджень. Таке відскакування крапель, як коли ви, наприклад, збризнете водою розпечену сковорідку, є доволі захоплюючим і для фізиків, адже його можна використати для так званих розумних покриттів, які запобігатимуть накопиченню криги, чи навіть для систем теплопередачі.
Для води ефект Ляйденфроста полягає у тому, що якщо крапля води потрапить на поверхню значно гарячішу за свою температуру кипіння, між собою і поверхнею вона утворить парову подушку, яка подіє як теплоізолятор і відстрочить випаровування, даючи краплі деякий час вільно «поплавати».
Поведінка краплі на дуже гарячій (а) і гідрофобній (b) поверхні та на сухому льоді. C. Antonini et al. / Phys. Rev. Lett, 2013
Не менш популярною серед вчених є і друга форма цього ефекту, коли крапля починає левітувати, але завдяки явищу не випаровування, а сублімації. Тоді її за кімнатної температури треба розмістити на значно холоднішу поверхню, наприклад, сухого льоду. На краплі утвориться подібний шар пари, але вже через сублімацію сухого льоду.
Поведінка краплі рідини за ефекту Ляйденфроста (а), на гідрофобній поверхні (b) та під впливом сублімації (с). C. Antonini et al. / Phys. Rev. Lett, 2013
У цій же роботі дослідники Політехнічного університету Віргінії спільно з паризькими колегами повідомили про трифазний ефект Ляйденфроста: їхня крижана шайба левітувала на власній воді, яка танула через розігріту поверхню та своєю чергою левітувала на своїй парі.
Як змусити кригу левітувати?
Свої крижані диски з дистильованої води радіусом від 8 до 25 міліметрів та товщиною від 7 до 12 фізики заморожували у чашках Петрі. Експерименти проводили на гладкому алюмінієвому предметному столику, який нагрівали до 550 градусів Цельсію, а поведінку крижинок відстежували за допомогою камери.
Так в інтервалі температур від 150 до 450 градусів Цельсію вчені спостерігали звичне бульбашкове кипіння — тала вода під диском утворювала пару ланцюжком бульбашок, які придушувала крига згори. Іноді тиску цих бульбашок навіть вистачало, щоб припідняти шайбу. При переході до набагато вищих температур від 450 до 550 градусів Цельсію бульбашкове кипіння частково замінило так зване перехідне, за якого бульбашки зливаються і утворюють парові порожнини, за якого доступ рідини до поверхні ускладнюється. Після повного танення льоду у цих експериментах тала вода набувала до класичного стану Ляйденфроста, де парова плівка покриває поверхню і повністю відділяє рідину від контакту з нею.
Бульбашкове кипіння. Mojtaba Edalatpour at al. / Physical Review Fluids, 2022
Це також одне з відкриттів у рамках цієї роботи, що режими бульбашкового та перехідного кипіння можуть тривати навіть за температури вище 500 градусів Цельсію — це вказує, що крига розтягує криву кипіння порівняно з класичною кривою кипіння рідкої води. Це також має практичне застосування, наприклад, при гартуванні, для якого бажано зберегти бульбашкове кипіння.
Перехідне кипіння. Mojtaba Edalatpour at al. / Physical Review Fluids, 2022
Власне сам трифазний ефект Ляйденфроста вченим вдалося піймати за найвищого температурного режиму, якого вони могли досягти — 550 градусів Цельсію. Спостерігаючи за кригою вони побачили, що під шаром талої води утворився шар пари. Додатково на користь ефекту Ляйденфроста також свідчила повна відсутність бульбашкового кипіння як у плівці води під кригою, так і у крапельках, що розліталися. Так точка Ляйденфроста, за якою вода переходить у такий стан, виявилася на 400 градусів вищою порівняно з необхідною для звичайної води.
Трифазний ефект Ляйденфроста. Mojtaba Edalatpour at al. / Physical Review Fluids, 2022
Чому так зросла температура?
На відміну від звичайних крапель води, де випаровування спричиняється переданим через шар пари теплом, тепло кризі передається складнішим шляхом. Так більшість тепла, проведеного через шар пари, передається вже через шар рідини, що є фундаментальною різницею між двофазним та трифазним ефектами Ляйденфроста, яка і може пояснити таку надзвичайно високу точку Ляйденфроста.
У майбутніх дослідженнях вчені планують дослідити явище трифазного ефекту Ляйденфроста у його «перевернутому» варіанті, наприклад, жбурляючи гарячі краплі у крижані ванни.
Не зважаючи на те, що ефект Ляйденфроста відомий ще з 1756 року, фізики продовжують знаходити все нові його особливості. Лише нещодавно ми розповідали, як фізики описали потрійний ефект Ляйденфроста, де завдяки подушці з пари краплі з різних рідин відскакували одна від одної. А іншим дослідникам вдалося з'ясувати, що мінімальна температура, за якої краплі вже не здатні утворювати парову подушку, не пов'язана ні з характеристиками рідини, ні з властивостями поверхні.