鸡蛋放进锅里翻炒不粘锅,快速行顷把手放进液氮后抽离却不会冻伤,液体火箭发动机在极高温燃气中长时间工作不烧坏,这三个看似毫无关联的事情,背后却蕴藏了相同的科学原理。
这就是莱顿弗罗斯特效应,下面跟我来揭开它的神秘面纱。
1756年,德国物理学家发表了一篇论文,描述了水滴在高温表面“跳舞”的奇怪景象。
一个烧得通红的铁锅,此时把一滴水落进去,会发生什么现象?一般根据常识,我们会立刻想象到水滴瞬间汽化的场面,并且温度越高,汽化速度也越快。
但是,科学家跟一般人的区别在于,他们观察事物更仔细,更细心。这不,在莱顿弗罗斯特的扰乎观察下,他发现这跟人们想象的不一样。
当第一滴小水滴落入高温表面后,整个汽化过程竟然长达30秒!接着他又落入了第二滴水,汽化时间却只有10秒,当他落入第三滴水时,汽化过程缩减到了1~2秒,接着滴入更多水,也都是在1~2秒左右汽化。
这就是莱顿弗罗斯特效应。
莱顿弗罗斯特曾尝试解释这个效应,可惜的是他没说对。
莱顿弗罗斯特认为:如果温度升高,水滴汽化的时间将更长,这是因为热量使得水表面张力变大,但实际情况并非如此。
目前莱顿弗罗斯特效应的正确解释是:当水滴落到高温金属表面后,其内部和表面都会发生汽化,在金属和水滴表面之间,会形成一层约0.1毫米厚的水蒸气膜,正是它起着关键作用。
水蒸气膜有两个作用,第一个作用是让水滴悬浮,第二个作缓带悉用是隔绝部分热量,减少水滴汽化速度,因为水一旦变成气态,传热性就会降低,这阻止了水滴从金属表面吸收更多热量。
水滴要产生莱顿弗罗斯特效应,需要加热到210到240摄氏度左右,这也被称为莱顿弗罗斯特温度,它并不固定,具体跟当地海拔有关,也就是海拔越高,气压越低,水的沸点越低,莱顿弗罗斯特温度越低。
如果金属表面达不到这个温度,形成的水蒸气膜就会太薄,“托不住”水滴,它会迅速汽化。这也是第2、3滴水的汽化速度快的原因(前面的水滴起到了冷却作用)。
回到开头,鸡蛋之所以放进锅里翻炒不粘锅,鸡蛋作为液体,跟炙热的锅面接触时,也会产生莱顿弗罗斯特效应,鸡蛋的莱顿弗罗斯特温度大致在350摄氏度以上。
而快速把手放进液氮后抽离却不会冻伤,是因为液氮温度零下196摄氏度,而人体温度30多度,所以接触到人体的液氮会迅速沸腾,形成类似的蒸汽膜,从而保护人手,但是这个过程要快,不然持续的冷却会伤害手(请勿模仿)。
而现代液体火箭发动机则用极低温液体燃料,在发动机燃烧室和喷嘴内壁形成一层气膜,以此隔绝燃气和内壁传热,这就是“气膜冷却”,可让发动机在极高温环境下长时间工作。
虽然这三个现象看似不同,但背后的原理相同,都利用了莱顿弗罗斯特效应。从这个过程中,我们可以发现科学就是从特例发现一般规律,然后再进行应用。这也是科学的魅力。