Undersøgelsen afslører minimumstemperaturen for dråber, der svæver fra glatte overflader

Leidenfrost-effekten er et velkendt fysisk fænomen, som først blev opdaget i 1756. Den opstår, når en væske er i nærheden af ​​en overflade, der er væsentligt varmere end dens kogepunkt. Dette giver et isolerende damplag, der forhindrer væsken i at koge hurtigt. På grund af denne effekt, en dråbe ville svæve over overfladen i stedet for fysisk at røre den.

Mens Leidenfrost-effekten er blevet opdaget for århundreder siden, de rapporterede temperaturer, ved hvilke damplaget begynder at dannes, varierer betydeligt fra undersøgelse til undersøgelse. Mange fysikere verden over har således fortsat med at undersøge dette fænomen for bedre at forstå, hvornår og hvordan det opstår.

Forskere ved Emory University har for nylig påvist, at Leidenfrost-damplag kan opretholdes ved langt lavere temperaturer end dem, der kræves til deres dannelse. Deres resultater, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne have både teoretiske og praktiske implikationer for flere områder af fysikken.

"Mit laboratorium har arbejdet på Leidenfrost-effekten i mange år nu, "Justin C. Burton, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores tidligere arbejde fokuserede på den interessante dynamik af leviterede Leidenfrost-dråber, hvordan de bevæger sig, hvordan de svinger, osv. Dette blev normalt gjort ved meget høje temperaturer, hvor det tynde damplag, der findes mellem dråben og den varme overflade, er ret robust, selvom damplaget er cirka tykkelsen af ​​et menneskehår."

Mens de tidligere undersøgelser udført af Burton og hans kolleger samlede interessant indsigt, et afgørende åbent spørgsmål var stadig tilbage:hvad er Leidenfrost-temperaturen? Med andre ord, den nøjagtige temperatur, der kræves for, at damplaget kan dannes oven på en overflade, og for at det kan opretholdes over tid, forblev uklart.

Fysikere har endnu ikke med sikkerhed opdaget, hvordan damplaget endelig forsvinder, alligevel observerede de, at dens spredning ledsages af, at væsken rører den faste overflade og hurtigt, eksplosiv kogning. Ud over at informere om fysikforskning, at give et svar på disse spørgsmål ville også være værdifuldt for adskillige industrier, der bruger kølende varme genstande og endda for planetariske videnskaber, der udforsker fænomener som f.eks. phreatomagmatiske udbrud.

"Vi satte os for at besvare disse spørgsmål ved hjælp af en elektrisk teknik til præcist at overvåge tykkelsen af ​​damplaget under dannelsen, og efterhånden som det varme materiale afkøles, hele vejen indtil damplaget spontant kollapsede, " Burton forklarede. "Ved at tilføje en smule salt til vandet, væsken virkede som en del af et elektrisk kredsløb, og det tynde damplag fungerede som en kondensator. Dette gjorde det muligt for os at overvåge damplaget i høj hastighed, millisekunder før og efter sammenbrudsøjeblikket."

Ud over at indsamle flere målinger af damplaget, Burton og hans kolleger brugte højhastighedsvideo til at undersøge det nøjagtige øjeblik, hvor laget kollapser. Overraskende nok, de fandt ud af, at mens de dannede et damplag omkring en varm metalgenstand nedsænket i vand, man skal varme det op til ~240 grader C, det samme damplag kan så forblive stabilt, når objektet afkøles til ~140 grader C. den lavere temperatur, ved hvilken de svævende dråber blev opretholdt, afhang ikke af saltkoncentrationen eller den type metal, der blev brugt i eksperimentet.

"Jeg tror, ​​at det mest bemærkelsesværdige fund af vores arbejde er, at der ser ud til at være en lavere temperatur for at opretholde stabiliteten af ​​Leidenfrost-damplagene, og at der er en 'øvre temperatur' for dannelse og en 'lavere temperatur' for svigt, " sagde Burton. "Dette er en meget praktisk opdagelse, der vil gå ud over grundlæggende fysik."

I fremtiden, resultaterne indsamlet af dette hold af forskere kunne informere forskning inden for en bred vifte af områder. Faktisk, fysikken i tynd, smøring af væske- og gaslag er et løbende emne for undersøgelser på mange områder, fra studiet af friktion til blødt væv, nanoskala køling og mikrofluidik.

"Vi udfører i øjeblikket en række numeriske simuleringer for at forstå, hvordan stabiliteten af ​​damplaget forsvinder ved den lavere temperatur, " tilføjede Burton. "Det er et meget gentageligt træk ved eksperimentet, og dermed skal den være baseret på grundlæggende hydrodynamik. Som når en regndråbe dannes på et blad, og når den bliver større, til sidst vil det falde af. Denne ustabilitet er forårsaget af et overskud af gravitationskræfter over overfladespændingskræfter, men vi ved i øjeblikket ikke, hvordan damplaget blev ustabilt i vores eksperiment."

© 2021 Science X Network