Всем известно, что вода может существовать в трех агрегатных состояниях: замерзшее твердое тело, жидкость и газ. Когда тепло применяется к замороженному твердому телу, оно становится жидкостью. При нагреве жидкости она превращается в пар. Этот элементарный принцип знаком каждому, кто наблюдал за стаканом чая со льдом в жаркий день или кипятил кастрюлю с водой, чтобы приготовить ужин.
Когда источник тепла достаточно горячий, поведение воды резко меняется. Капля воды, нанесенная на алюминиевую пластину, нагретую до 150 градусов по Цельсию или выше, больше не будет кипеть. Вместо этого пар, который образуется, когда капля приближается к поверхности, оказывается в ловушке под каплей, создавая подушку, препятствующую прямому контакту жидкости с поверхностью. Захваченный пар заставляет жидкость левитировать, скользя по нагретой поверхности, как шайба в аэрохоккее. Это явление известно как эффект Лейденфроста, названный в честь немецкого врача и теолога, впервые описавшего его в публикации 1751 года.
Этот общепринятый научный принцип применим к воде как к жидкости, плавающей на слое пара. Но возникает интересный вопрос: может ли лед вести себя так же?
Доцент Джонатан Борейко и аспирант Моджтаба Эдалатпур решили проверить взаимодействие льда и высокотемпературных поверхностей в рамках эксперимента. Результаты оказатлись очень интересными. Когда алюминий был нагрет выше 150°С, лед не парил в воздухе, как это делает жидкость. Ученые продолжили повышать температуру, наблюдая за поведением льда по мере увеличения температуры. Они обнаружили, что порог для левитации был значительно выше: 550ºC, а не 150ºC. До этого порога талая вода подо льдом продолжала кипеть в прямом контакте с поверхностью, а не проявляла эффект Лейденфроста.
Что происходило подо льдом, что продлило кипение? Ответом оказался перепад температур в слое талой воды подо льдом. Слой талой воды имеет две разные крайности: его дно кипящее, что фиксирует температуру около 100°C, но его верхняя часть прилипает к оставшемуся льду, что фиксирует температуру около 0°C. Модель показала, что поддержание этой экстремальной температуры дифференциал потребляет большую часть тепла поверхности, что объясняет, почему левитация была более сложной для льда.
Разность температур, создаваемая льдом в толще воды, изменила то, что происходит в самой воде, потому что теперь большая часть тепла от нагревателя должна проходить через воду, чтобы поддерживать эту экстремальную разницу. Таким образом, для производства пара теперь можно использовать лишь малую долю энергии.
Повышенная температура в 550 градусов по Цельсию для ледяного эффекта Лейденфроста имеет практическое значение. Кипящая вода оптимально отводит тепло от субстрата, поэтому вы чувствуете достаточное количество тепла, исходящего от кастрюли с кипящей водой, а не от кастрюли с просто горячей водой. Это означает, что сложность левитации льда на самом деле является хорошей вещью, поскольку большее температурное окно для кипячения приведет к лучшей теплопередаче по сравнению с использованием одной жидкости.
На атомных электростанциях применение льда для быстрого охлаждения может стать легко применяемой аварийной мерой в случае отключения электроэнергии или обычной практикой обслуживания деталей электростанции.
Есть также потенциальные приложения для металлургии. Для производства сплавов необходимо гасить тепло от металлов, которые были сформированы в течение узкого промежутка времени, делая металл более прочным и менее хрупким. Если бы применялся лед, это позволило бы быстро отводить тепло через три водные фазы, быстро охлаждая металл.
