2022年03月14日 11:43
環球科學
想要把水燒開，要用熱源對水加熱，可是熱源如果熱過頭了，水反而不會再吸收熱量了。這被稱為「萊頓弗羅斯特效應」，由於這個效應，在需要對高溫物體快速降溫時，水反而不是一種很好的傳熱介質。而最近的一項研究提供了替代方案：不要用水，而要用冰傳熱。
撰文 | 白德凡
審校 | 二七
高溫反而不沸騰？
眾所周知，水存在固態、液態、氣態三相。在1標准大氣壓下，把固態的冰加熱到0℃，它會融化成液態的水；繼續把水加熱到100℃，它會沸騰汽化成氣態的水蒸氣。這是生活常識，也是人們對「相變」這種物理現象最直觀的認知。
然而這個常識並非在任何情況下都奏效。比如，如果將水滴到150℃的鋁板上會發生什麼？人們大概會覺得，熱源的溫度已經高於水的沸點了，水滴接觸鋁板後應當迅速汽化。然而如果你做一做實驗，比如炒菜時，先把平底鍋加熱，再倒上水，你會發現水滴會懸浮在鍋底上滑來滑去，維持一段時間的液態而不是迅速蒸發成水蒸氣。這種現象人們很早就發現了，德國醫生和神學家約翰·萊頓弗羅斯特（Johann Leidenfrost）在1751年最早描述了這種現象，因此它也被命名為「萊頓弗羅斯特效應」。
水在接觸溫度高於水沸點的熱源後，反而不會沸騰，而是保持液態，這是為什麼呢？原因其實很簡單，水滴和高溫熱源的接觸面上會蒸發出一個隔熱的水蒸氣層，它隔開了頂部的水和熱源繼續接觸，從而阻斷了整個水滴的沸騰過程。萊頓弗羅斯特效應帶來了一些麻煩，如果你想讓水盡快沸騰得到水蒸氣的話，這個效應阻礙了熱源向水傳熱的過程。早在蒸汽時代，許多鍋爐設計師就發現，溫度高的鍋爐產生蒸汽的效率反而更低。另外，液態水經常被用作一種導熱介質，而萊頓弗羅斯特效應的存在，使得在對一些高溫物體降溫的操作中，液態水並沒有那麼高效。
而今年一月發表在《物理評論·流體》的一篇論文中，研究人員發現了一件好玩的事情：如果想要把熱量從熱源上迅速地轉移，你不應該往熱源上加水，而應該加冰。
冰無法懸浮
一開始，來自美國弗吉尼亞理工大學的研究人員好奇的問題是，萊頓弗羅斯特效應在冰接觸高溫熱源時會不會也能發生，從而造成水蒸氣、水、冰共存在熱源上的現象。大約在五年前，本科生丹尼爾·庫蘇馬諾（Daniel Cusumano）在實驗中觀察到，即使把鋁板加熱到150℃以上，與之接觸的冰也不會像水一樣懸浮起來。庫蘇馬諾繼續提高鋁板溫度，他發現，讓冰懸浮起來的臨界溫度要高得多：大約550℃。沒有到達這個臨界溫度時，冰接觸熱源，下層會融化成融水層，但融水層在接觸熱源時會保持液態，而不會汽化出一個蒸汽隔熱層。這意味著融水層可以源源不斷地從熱源吸熱。
冰層下面發生了什麼，讓接觸高溫熱源的液態水依然保持液態？不久之後，研究生穆傑塔巴伊（Mojtaba Edalatpour）重新啟動了這項研究。他和副教授喬納森·博瑞科（Jonathan Boreyko）合作建立了數值模型，以模擬冰在高溫熱源上的熱傳導過程。他們發現，問題的關鍵在冰下面融水層的溫差上：融水層接觸熱源的一面溫度固定在100℃，而接觸上層冰面的一面溫度固定在0℃。融水層從熱源吸收的絕大部分熱量都用來維持這個溫差了，只有一小部分能量可以用來產生蒸汽，導致融水層和熱源的接觸面上並不會形成隔熱蒸汽層。
以0.2倍慢放的冰接觸高溫熱源的變化過程。冰接觸熱源時，下部的融水層保持液態持續吸熱，全部融化後，出現萊頓弗羅斯特效應，水懸浮了起來。（視頻來源：Mojtaba Edalatpour）
博瑞科解釋說，冰難以產生萊頓弗羅斯特效應其實是一件好事，這種情況下傳熱效率更高。「一旦水在熱源表面懸浮，傳熱過程就會受阻。所以，對於熱傳遞來說，萊頓弗羅斯特效應是很糟糕的。」
高效傳熱
傳遞熱量的需求在生活中如此常見——例如，我們需要冷卻計算機服務器和汽車的引擎，因此需要找到一種物質或機制，可以將能量從熱表面移走，迅速重新分配熱量，以減少零件的熱損耗。而水又是經常用到的傳熱介質，所以避免萊頓弗羅斯特效應是很有必要的。
由於博瑞科團隊的這個發現，我們可以期待在一些實踐中用冰代替水來傳熱。比如在核電站，當發生電力故障時，用冰導熱快速冷卻或許可以成為一種應急措施。在冶金方面也有潛在的應用。為了生產合金，必須在較短時間內對成形的金屬進行淬火，使其溫度迅速降低，這樣得到的合金才能擁有更高的強度。如果在淬火過程中使用冰而不是水，由於避開了萊頓弗羅斯特效應，熱量得以迅速釋放，從而能更迅速地冷卻金屬。
博瑞科還預見了這種熱傳導方法在消防上的應用潛力。他說：「你可以想象一下，用一根特制的軟管來噴灑冰屑，而不是噴水，這樣可以更高效地撲滅明火。這不是小說劇情，我參觀過一家擁有冰管道的航空公司，他們已經有了這種技術，用噴嘴噴射出冰粒而不是水滴來滅火。」
或許對於普通人來說，如果想體驗一下冰不發生萊頓弗羅斯特效應帶來的好處，下次在炒菜前需要加水時，可以換做加冰試一試。
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