Физики заставили воду кипеть без пузырьков

Металлические сферы с гидрофильным (слева) и гидрофобным покрытием. Кадр из видео исследователей - Vakarelski et al., Nature, 2012

Ученые показали, что слой пара, который предохраняет от мгновенного выкипания капли воды на раскаленной сковородке, можно создать и при гораздо более низкой температуре. Работа физиков опубликована в журнале Nature, а ее краткое содержание приводит Nature News.

Явление, благодаря которому капли воды на раскаленной сковородке катаются, словно шарики ртути, а не испаряются мгновенно, физики называют эффектом Лейденфроста. Испарение при этом происходит без пузырьков - только на границе тел, а не в объеме жидкости. Это происходит потому, что во время контакта жидкости с телом, нагретым до определенной температуры, между ними образуется слой пара, сильно препятствующий теплообмену. Такая температура называется точкой Лейденфроста. Для воды она составляет обычно чуть менее 200 градуса Цельсия.

При падении температуры нагретого тела ниже этой точки, слой пара исчезает, жидкость приходит в непосредственный контакт с твердой поверхностью и скорость теплообмена резко увеличивается. При этом происходит взрывное вскипание во всем объеме жидкости.

В ходе исследования авторы нагревали металлические сферы, опускали их в воду и записывали происходящие процессы на видео. При этом некоторым сферам придавали водоотталкивающие свойства с помощью нанесения микротекстуры и химических покрытий.

Ученые показали, что если придать поверхности твердого тела сильные водоотталкивающие свойства, то точку Лейденфроста можно понизить до температуры кипения жидкости. В таком случае кипение происходит без образования пузырьков.

Теоретически возможна стабилизация слоя пара на границе жидкости даже ниже температуры кипения. Этого, однако, авторам пока не удалось продемонстрировать. Если их исследования увенчаются успехом, то подобные гидрофобные поверхности можно будет применить в кораблестроении. Стабилизированный слой пара между корпусом судна и водой может резко снизить трение и энергозатраты на перевозку.

Ранее другая группа инженеров также показала, что придание границе фаз особой текстуры сильно влияет на ее теплопроводность. Тогда перед исследователями стояла обратная задача - не уменьшения, а увеличения энергообмена.