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神奇!科学家用冰“煮”水,可帮助核电站快速降温

前瞻网 2022-01-24 15:49

 

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水可以存在于三个阶段:冷冻固体、液体和气体。当热量被施加到冰冻的固体上时,它就会变成液体。当热量施加于液体时,它就会变成蒸汽。

当热源足够热时,水的行为发生了巨大的变化。根据科学家的说法,沉积在铝板上的水滴被加热到150摄氏度或以上时,它将不再沸腾。相反,即将形成的蒸汽将被困在水滴下面,形成一个缓冲,防止液体与铝板表面直接接触。被困的蒸汽使液体悬浮起来,在铝表面上跳动。这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应,以在1751年的出版物中首次描述它的德国医生和神学家命名。

这一普遍接受的科学原理适用于作为液体的水,该科学团队转念一想,冰也会如此吗?是否有可能出现固体、液体和蒸汽的三相莱顿弗罗斯特效应?

大约五年前,好奇心引发了博雷科实验室的第一次调查,当时的研究员观察到,即使当铝被加热到150摄氏度以上时,冰也没有像液体那样悬浮在水汽中。当研究员继续提高温度,随着热量的增加观察冰的行为。他们发现出现悬浮的温度明显更高:550摄氏度(1022华氏度),而不是150摄氏度。

在冰下究竟发生了什么,延长了沸腾的时间?研究团队合作开发新的热传导方法,并将这些知识用于解决这个问题。他们发现,答案是冰层下的融水层的温度差。融水层有两个不同的极端:它的底部是沸腾的,这使温度固定在大约100摄氏度;但它的顶部是粘附在冰上的,这使它固定在大约0摄氏度。

研究员解释:冰在水层上独特创造的温差已经改变了水本身的情况,因为现在来自热铝板的大部分热量必须穿过水面来维持这种极端的温差。所以只有极小部分的能量可以用来产生水汽。

“浮起冰块比浮起水滴要难得多,”研究员继续说,“一旦悬浮开始,传热就会急剧下降,因为当液体悬浮时,它不再沸腾了。这时,它跳动在表面上而不是直接接触,而接触是导致它沸腾的原因。因此,对于热传递,悬浮是糟糕的,煮沸更是不可思议的。”

对于应用场景,研究人员表示,热传递在冷却计算机服务器或汽车发动机等物体方面发挥着很大作用。因为它们需要一种物质或机制,可以将能量从热表面移开,并快速重新分配热量以减少金属部件的磨损。同时,在核电站中,也可以使用冰作为冷却剂来诱使其快速冷却。有可能避免当年福岛核电站灾难后,进行冷却核反应堆时遇到的问题。

该研究论文题为'Using ice to boil water: Researcher makes heat transfer discovery that expands on 18th century principle',已发表在Physical Review Fluids期刊上。

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责任编辑: 4162SKX

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