Фізика
Фізика

Зниження температури не вплинуло на «левітацію» крапель води поверхнею

Американські фізики у спробах знайти критичну температуру для появи ефекту Ляйденфроста, виявили, що краплі здатні утворювати собі парову оболонку навіть за зниження температури на сто градусів Цельсію. Паровий шар здатен зберігати цілісність краплі доти, поки температура поверхні не сягне мінімуму і не виснажить його. Втім, мінімальна температура виявилася не пов'язаною ні з характеристиками рідини, ні з властивостями поверхні. Причини стійкості парового самозахисту крапель вчені шукали у Physical Review Letters за допомогою нагрітого металевого циліндра, води і пари електродів.

Harvey, Harper & Burton

Harvey, Harper & Burton

Як краплі левітують?

1756 року німецький вчений Йоган Ляйденфрост описав у своєму трактаті «Про деякі властивості звичайної води» незвичайний ефект, пізніше названий його ім'ям. Він помітив, що крапля води на нагрітій відполірованій металевій ложці не змочує її, а ніби левітує над нею на подушці з пари. Так з'ясувалося, що рідини на поверхнях, нагрітих вище за їхню точку кипіння, утворюють навколо себе парову оболонку, яка не дає їм википіти. Ефект Ляйденфроста лежить в основі найбільш енергійних форм вулканізму — фреатичних вивержень — магма контактує з водою або кригою, що викликає майже раптове перетворення води на пару і подальший вибух. Вибух відбувається через колапс парового шару, що мав би захистити воду від випаровування. Втім, це явище можна поспостерігати і на кухні — спробуйте налити води на розпечену сковорідку. Якщо температури буде достатньо, рідина, замість того, щоб випаруватись, збереться у краплі і почне ковзати поверхнею пательні.

Крапля води залишається цілою на розпеченій поверхні завдяки ефекту Ляйденфроста. Cryonic07 / Wikimedia Commons

Крапля води залишається цілою на розпеченій поверхні завдяки ефекту Ляйденфроста. Cryonic07 / Wikimedia Commons

Ефект Ляйденфроста вже давно ґрунтовно вивчили у лабораторіях: від геометрії крапель та парового шару, що захищає їх, до траєкторії їхнього руху і впливу на ефект удару краплі об поверхню. Його пропонують використовувати для розумних матеріалів, здатних до самоочищення чи визначеного руху рідини ними. А також звинувачують у зміні рельєфу Марса через рух сублімованої криги, і пропонують використати для забезпечення перших марсіанських поселень енергією, перетворюючи ефект для перетворення різниці температур у механічну роботу. Втім, як ви могли помітити, у всіх цих прикладах головну роль грає температура переходу, за якої утворюється чи руйнується паровий шар. І річ у тім, що фізики досі точно не знають, як його вираховувати. У науковій літературі значення цієї температури широко варіюються і залежать від шорсткості поверхні, її гідрофобності або гідрофільності, теплових властивостей твердого тіла, його геометрії і наявності домішок.

Де шукати критичну точку?

Для гладких однорідних поверхонь теорія припускає, що температура, за якої паровий шар самостійно утворюється в результаті контакту рідина-тверде тіло, залежить тільки від гідрофобності поверхні. Для крапель води на металевих поверхнях, наприклад, це відповідає температурам понад двісті градусів Цельсію. Тільки теорія не припускає, чому після утворення краплі Ляйденфроста можуть існувати на металевих поверхнях з температурами, нижчими за температури кипіння води у сто градусів Цельсію. Нове дослідження показує, що для води паровий шар витримує температури, набагато нижчі, ніж ті, які потрібні для його утворення, незалежно від солоності води, обсягу пари або типу нагрітого матеріалу. Це фізики з університету Еморі з'ясували поки намагалися знайти критичну температуру утворення і лускання парової оболонки крапель. У своїх експериментах вони опускали нагрітий металевий циліндр у воду так, щоб навколо нього утворювався шар пари. У циліндр були вбудовані керамічний нагрівач і термопара, а ванна нагрівалася зовні. За такої конструкції вдається незалежно контролювати одночасно і температуру циліндра, і рівень рідини.

Оточений парою циліндр у воді. D. Harvey, J. Méndez Harper, J. C. Burton / Emory University

Оточений парою циліндр у воді. D. Harvey, J. Méndez Harper, J. C. Burton / Emory University

Щоб вивчити динаміку парового шару, вчені контролювали електричний імпеданс між нагрітим твердим тілом і електродом на дні ванни. Коли під наконечником утворювалася пара, вона створювала вимірювану вченими ємність, яка змінювалася залежно від товщини парового шару. Змінюючи температуру циліндра, команда могла точно визначити точку початку утворення пари. Так у середньому стабільний паровий шар формується при температурі у 240 градусів Цельсію, що узгоджується з теоретичними передбаченнями для металевих поверхонь. Проте одного разу створений шар пари товщиною у 10-20 мікрометрів залишався стабільним і при температурах значно нижчих — він луснув на позначці у 140 градусів Цельсію. Крім того, більш низька температура, при якій підтримувалися краплі, не залежала від концентрації солі або типу металу, використаного в експерименті.

Лускання краплі на позначці у 140 градусів Цельсію. D. Harvey, J. Méndez Harper, J. C. Burton / Emory University

Лускання краплі на позначці у 140 градусів Цельсію. D. Harvey, J. Méndez Harper, J. C. Burton / Emory University

Що втримало пару?

Як видно на відео нижче, невелика крапля води може «левітувати» над нагрітою вігнутою поверхнею алюмінію, якщо його температура менша за температуру формування парової подушки. По мірі охолодження поверхні, крапля випаровується, але лишається цілісною, поки не дійде певної критичної точки, де врешті відбудеться контакт з поверхнею. Цікаво, що краплі розмірами менше сотні мікрометрів можуть продовжувати левітувати навіть за температури нижче, ніж та, що необхідна для кипіння. І навпаки, краплі з радіусом більшим, ніж довжина капіляра води, руйнуються за вищих температур вже незалежно від розміру краплі.

Крапля продовжує левітувати навіть на поверхні, що нагріта нижче, за температуру кипіння. D. Harvey, J. Méndez Harper, J. C. Burton / Emory University

Крапля продовжує левітувати навіть на поверхні, що нагріта нижче, за температуру кипіння. D. Harvey, J. Méndez Harper, J. C. Burton / Emory University

Це пов'язують із дифузним стефанівським потоком — явищем виникнення течії у процесі випаровування або зростання крапель, що впливає на межу поділу рідина-пара. Через такі коливання парового шару й існують широкі варіації температури, за якої лусне шар пари, який захищає краплю. Отже, такий розрив у температурах, майже у сто градусів, на думку вчених, визначається стабільністю газового потоку в паровому шарі, а не властивостями води або нагрітої поверхні. Що саме викликає вибух, залишається відкритим питанням. Але дослідники вважають, що рідка межа розділу повинна наближатися до поверхні на субмікронних масштабах довжини, щоб сили Ван-дер-Ваальса ініціювали контакт і змочування. Вони вважають, що у такій високодинамічній геометрії краплі, де шар пари постійно знаходиться в русі, цей момент просто неможливо вловити через повторювані контакти рідина-тверде тіло.

Проте, це дослідження пояснює дивовижну стійкість парових шарів Ляйденфроста після їхнього утворення і допоможе використовувати його у практичних задачах. Це явище досі не покидає вчених навіть через 200 років після відкриття і лише зовсім нещодавно ми писали, як під дією цього ефекту гаряча масна поверхня змусила воду пробігти 10 сантиметрів за секунду.