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让液滴悬浮,最低需要几度?

美国埃默里大学的研究人员在《物理评论快报》中发文称,即便远低于形成温度,莱顿弗罗斯特蒸汽层也能稳定存在。

一滴纯净的莱顿弗罗斯特液滴在低于沸点时,仍然悬浮在加热的铝表面之上。

莱顿弗罗斯特效应是一种著名的物理学现象:当液体接近比其沸点高得多的高温表面时,就会产生一层隔热的蒸汽层,防止液体快速沸腾。在该效应的作用下,液滴会悬浮在表面上方,而不会与之产生物理接触。

莱顿弗罗斯特效应早在几个世纪之前就已为人所知,但研究人员发现,蒸汽层开始形成的温度存在显著差异。因此,物理学家们对这种效应展开了持续研究,以便更好地理解它的发生机制。当地时间9月23日,美国埃默里大学的研究人员在《物理评论快报》中发文称,即便远低于形成温度,莱顿弗罗斯特蒸汽层也能够稳定存在。该发现或将对多个物理学领域的研究产生推动作用。论文作者Justin C. Burton说:“多年来,我们团队一直在研究莱顿弗罗斯特效应……研究是在极高的温度下进行的,虽然液滴和高温表面之间的蒸汽层的厚度和人类发丝直径接近,但却相当牢靠。”

Burton等在多年的研究中取得了大量新发现,但一个关键的问题仍然悬而未决:莱顿弗罗斯特温度是多少?换句话说,蒸汽层在表面形成并持续一段时间所需的确切温度是多少?找到这些问题的答案,对于冷却行业,甚至行星科学领域的研究都有重要价值。Burton说:“我们尝试用电子技术来解答问题。在蒸汽层形成过程中,我们精确地监测了它的厚度,直至热表面冷却、蒸汽层自发塌缩。在水中加入少量盐,液体就形成了部分电路,超薄的蒸汽层构成了电容器。这使得我们能在塌缩时刻前后几毫秒内监测蒸汽层。”

除了收集蒸汽层的厚度数据外,研究人员还使用高速摄像机记录了蒸汽层塌缩的确切时刻。令人惊讶的是,虽然让浸没在水中的热金属周围形成蒸汽层,需要将温度提高至超过240摄氏度,但当其冷却到140摄氏度时,同一蒸汽层仍能保持稳定。因此,研究人员认为维持悬浮液滴的较低温度与盐浓度、金属类型无关。

Burton说:“我认为,这次工作最重大的发现在于,莱顿弗罗斯特蒸汽层有‘较高的形成温度’、‘较低的失效温度’以及‘较低的维稳温度’。这一发现也许将超越基础物理学的范畴。”

科界原创 编译:德克斯特 审稿:西莫责编:陈之涵

期刊来源:《物理评论快报》

期刊编号:0031-9007

原文链接:https://phys.org/news/2021-09-unveils-minimum-temperature-droplets-levitating.html

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