Leidenfrost-effekten är ett välkänt fysiskt fenomen som först upptäcktes 1756. Den uppstår när en vätska befinner sig i närheten av en yta som är betydligt varmare än dess kokpunkt. Detta ger ett isolerande ångskikt som hindrar vätskan från att snabbt koka. På grund av denna effekt, en droppe skulle sväva över ytan istället för att fysiskt röra den.

Medan Leidenfrost-effekten har upptäckts för århundraden sedan, de rapporterade temperaturerna vid vilka ångskiktet börjar bildas varierar avsevärt från studie till studie. Många fysiker över hela världen har alltså fortsatt att undersöka detta fenomen för att bättre förstå när och hur det uppstår.

Forskare vid Emory University har nyligen visat att Leidenfrost ångskikt kan upprätthållas vid mycket lägre temperaturer än de som krävs för att de ska bildas. Deras fynd, publicerad i Fysiska granskningsbrev , kan ha både teoretiska och praktiska implikationer för flera områden av fysiken.

"Mitt labb har arbetat med Leidenfrost-effekten i många år nu, "Justin C. Burton, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vårt tidigare arbete fokuserade på den intressanta dynamiken hos leviterade Leidenfrost-droppar, hur de rör sig, hur de svänger, etc. Detta gjordes vanligtvis vid mycket höga temperaturer, där det tunna ångskiktet som finns mellan droppen och den varma ytan är ganska robust, även om ångskiktet är ungefär lika tjockt som ett människohår."

Medan de tidigare studierna utförda av Burton och hans kollegor samlade intressanta insikter, en avgörande öppen fråga kvarstod fortfarande:vad är Leidenfrost-temperaturen? Med andra ord, den exakta temperaturen som krävdes för att ångskiktet skulle bildas ovanpå en yta och för att det skulle bibehållas över tid förblev oklart.

Fysiker har ännu inte med säkerhet upptäckt hur ångskiktet slutligen försvinner, ändå observerade de att dess försvinnande åtföljs av att vätskan berör den fasta ytan och snabbt, explosiv kokning. Förutom att informera om fysikforskning, att ge ett svar på dessa frågor skulle också vara värdefullt för flera industrier som använder kylande heta föremål och till och med för planetariska vetenskaper som utforskar fenomen som freatomagmatiska utbrott.

"Vi bestämde oss för att svara på dessa frågor med hjälp av en elektrisk teknik för att exakt övervaka tjockleken på ångskiktet under bildning, och när det varma materialet svalnade, hela vägen tills ångskiktet spontant kollapsade, " Burton förklarade. "Genom att tillsätta lite salt till vattnet, vätskan fungerade som en del av en elektrisk krets, och det tunna ångskiktet fungerade som en kondensator. Detta gjorde det möjligt för oss att övervaka ångskiktet i hög hastighet, millisekunder före och efter ögonblicket av kollaps."

Förutom att samla in flera mätningar av ångskiktet, Burton och hans kollegor använde höghastighetsvideo för att undersöka det exakta ögonblicket då lagret kollapsar. Förvånande, de fann att samtidigt som de bildade ett ångskikt runt ett hett metallföremål nedsänkt i vatten, man måste värma upp den till ~240 grader C, samma ångskikt kan sedan förbli stabilt när föremålet kyls ner till ~140 grader C. Dessutom, den lägre temperatur vid vilken de svävande dropparna upprätthölls berodde inte på saltkoncentrationen eller typen av metall som användes i experimentet.

"Jag tror att det mest anmärkningsvärda resultatet av vårt arbete är att det verkar finnas en lägre temperatur för att bibehålla stabiliteten hos Leidenfrost-ångskikten, och att det finns en "övre temperatur" för bildning och en "lägre temperatur" för fel, "Sade Burton. "Detta är en mycket praktisk upptäckt som kommer att gå utöver grundläggande fysik."

I framtiden, de resultat som samlats in av detta team av forskare skulle kunna ge information till forskning inom en mängd olika områden. Faktiskt, tunnas fysik, smörjning av vätske- och gasskikt är ett pågående ämne för undersökningar inom många områden, från studiet av friktion till mjuka vävnader, kylning och mikrofluidik i nanoskala.

"Vi genomför för närvarande en serie numeriska simuleringar för att förstå hur stabiliteten i ångskiktet försvinner vid lägre temperatur, " tillade Burton. "Det är ett mycket repeterbart inslag i experimentet, och därför måste den baseras på grundläggande hydrodynamik. Som när en regndroppe bildas på ett löv och när den blir större, så småningom kommer den att falla av. Denna instabilitet orsakas av ett överskott av gravitationskrafter över ytspänningskrafter, men vi vet för närvarande inte hur ångskiktet blev instabilt i vårt experiment."

© 2021 Science X Network