物理科技生物学-PHYICA

悬浮和碰撞液滴

物理学 2023-05-07 12:55:19

作者:Phys的大卫·阿佩尔

(同organic)有机 信用:F

帕切科-巴斯克斯

莱德斯马-阿隆索

l

帕拉西奥-兰格尔和福

Moreau,https://journals

辅助电能(Accessory Power Supply的缩写)

org/prl/abstract/10

1103/PhysRevLett

127

204501 如果你见过水滴在热锅或煎锅上跳舞和抖动,你就会看到雷登弗罗斯特效应在起作用

或者你可能看过《流言终结者》的一集,亚当和杰米把湿手指和手伸进熔化的铅里,毫发无伤地把它们拉了出来

这种效果依赖于手指是湿的,所以手指周围有一层水膜

在熔化铅中,水膜沸腾,产生蒸汽,这是一种不良导体

这种气体是水蒸气,当浸入328摄氏度(622华氏度)或更高的熔融铅中时,它能使手指绝缘足够长的时间来保护手指

同样,热板上的水滴在其底部边缘蒸发,形成一个绝缘垫,使水滴以液体的形式悬浮一段惊人的时间

德国医生约翰·戈特洛布·莱登弗罗斯特于1751年首次描述了它

现在,来自墨西哥和法国的一组科学家首次公布了实验结果,表明两种不同液体的热液滴也可以相互反弹,这是由于它们之间的莱登弗罗斯特效应

该小组称之为三重莱登弗罗斯特效应,因为两个液滴已经在一个热板上,相对于该板经历了它们自己的莱登弗罗斯特效应,并且当它们相互碰撞和反弹时,产生了额外的莱登弗罗斯特效应,在液滴之间的碰撞界面处形成了第三个蒸汽垫

在实验中,热铝板有一个略微凹陷的顶面,以保持液滴朝向板的中心

对于水滴0

体积为5毫升(0

5 cc)时,液滴在210摄氏度的板温度下进入莱登弗罗斯特状态

此时,液滴持续了大约450秒(7

5分钟)由于水的巨大潜热(在恒定温度下将水从液体变成气体所需的热量)

之后,水滴完全蒸发并消失,变成水蒸气

其他液体具有不同的雷登弗罗斯特温度和持续时间:乙醇液滴在大约150摄氏度进入雷登弗罗斯特状态,持续大约200秒,氯仿在大约150摄氏度持续100秒

这项研究是在墨西哥的普埃布拉进行的,海拔约2200米(7218英尺,1

37英里),例如,那里的水的沸点只有93摄氏度(199华氏度)

其他热力学性质可能有类似的调整

热铝板上的一小滴蓝色乙醇反复从较大的透明水滴上反弹,同时表现出三种不同的雷登弗罗斯特效应

最终,蓝色液滴的尺寸减小,变成球形,其蒸汽层被抽空,液滴聚结

信用:F

帕切科-巴斯克斯

莱德斯马-阿隆索

l

帕拉西奥-兰格尔和福

Moreau,https://journals

辅助电能(Accessory Power Supply的缩写)

org/prl/abstract/10

1103/PhysRevLett

127

204501 在研究人员确定了11种低粘度液体的莱登弗罗斯特温度后,他们在温度为250摄氏度(482华氏度)的热铝板上沉积了两滴不同材料的液体

每个液滴都经历了它自己的雷登弗罗斯特效应,在它下面有一个蒸汽层,当它向板块中心下降时悬浮起来

在那里附近,悬浮的水滴会碰撞

在那一瞬间,发生了两件事之一:液滴要么凝聚,要么相互反弹

如果液体是相同的物质,如水-水,或者如果它们具有相似的性质,例如乙醇-异丙醇,聚结会在几毫秒内发生

在更有趣的情况下,液滴相互反弹

当液滴是不同的液体时,例如水-乙醇或水-乙腈,就会发生这种情况

每一个都脱离了自己的雷登弗罗斯特效应

但是蒸汽垫也包围着它一侧的每一个液滴,所以当液滴碰撞时,那里有一个蒸汽垫阻止了液滴的合并

事实上,液滴的反弹速度有时可能大于其撞击速度,因为液滴之间的蒸汽层中的压力被两个液滴的莱登弗罗斯特层增强了

正是这个蒸汽层阻止了最初的聚结

较小的液滴在几秒钟,有时几分钟内反复从较大的液滴上反弹回来(见上面的视频)

最终,当它的蒸汽层在碰撞期间被抽空,液滴最终聚结时,较小的液滴从扁平形状变成球形

高速成膜过程表明,在聚结之前,较小液滴的直径随时间线性减小

只有两个参数决定了直接聚结或反弹的条件:液体之间表面张力的差异(表面张力是液体的固有特性,以单位长度的力来衡量)或沸腾温度的差异

当沸点差异较大时,较小的液滴会剧烈爆炸,如在乙二醇-氯仿中

近年来,基于莱登弗罗斯特效应的其他动力学也被探索,例如液滴的自推进、持续旋转、振荡和液滴爆炸,这表明在工程和微流体应用中操纵液滴上的莱登弗罗斯特效应的可能性

这项最新的工作是了解不同液体的雷登弗罗斯特液滴如何相互作用,这为潜在的应用增加了另一个维度

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