​Ученые из Новосибирского госуниверситета, Томского политехнического университета и Южного методистского университета США разработали новую модель для объяснения поведения капель над горячими жидкостями.

Этой теме была посвящена статья, опубликованная в высокорейтинговом журнале Physical Review Letters, кроме того, результаты исследования освещены в популярном американском журнале Physics World.

Если внимательно посмотреть на чашку горячего кофе или чая, можно увидеть белый туман, парящий над поверхностью. Считается, что это капли конденсата, которые, как известно физикам, могут левитировать над поверхностью горячей жидкости. Иногда левитирующие капли могут даже сформировать упорядоченную гексагональную структуру, когда они висят в воздухе. Это явление имеет важные последствия для термодинамики испарения, а также может иметь целый ряд применений от химического производства до медицины (взаимодействие аэрозолей с дыхательными путями).

Специалисты лаборатории энергонапряженных тепловых процессов НГУ, входящей в САЕ «Низкоразмерные гибридные материалы», во главе с профессором Олегом Кабовым (зав. лабораторией Института теплофизики СО РАН) и вместе с учеными из Томского политехнического исследовательского университета, а также Южного методистского университета США наблюдали массив мелких капель над горячей твердой поверхностью. На основе этих наблюдений они разработали новую модель для объяснения эффекта, который, как они говорят, позволит также лучше понять поведение капель над нагретыми жидкостями.

Левитация капель над горячими сухими поверхностями называется эффектом Лейденфроста, и большинство предыдущих исследований было сделано при температурах значительно превышающих точку кипения жидкости. Команда ученых из России и США провела свои эксперименты на медных блоках, нагретых до 85 °C. Это позволило частично покрыть поверхность тонким слоем воды и дало возможность исследовать левитацию как на влажных, так и на сухих поверхностях. Использовался микроскоп, подключенный к высокоскоростной камере, которая отображала область размером около 1 мм в поперечнике.

Эксперимент начался с меди, покрытой однородным слоем воды глубиной 400 мкм. На первом этапе струя воздуха локально обдувала поверхность, создавая сухой участок диаметром около 750 мкм. Затем включалась нагретая поверхность, и капли начинали образовываться над жидким слоем. Некоторые из этих капель затем мигрировали в сухой участок, где они левитировали и, к удивлению исследователей, начали формировать упорядоченные структуры примерно с такими же параметрами, как и над поверхностью жидкости.

Ученые обратили внимание, что температура поверхности намного ниже, чем обычная «температура Лейденфроста», поэтому пришлось разработать новую модель для объяснения левитации на сухой поверхности с более низкой температурой. Согласно их теории, пар, вытекающий из капли и отражающийся от поверхности меди, вызывает левитацию. Ученые также считают, что отток пара создает отталкивающее взаимодействие между каплями, что приводит к образованию регулярных массивов капель.

Как только они разработали свою модель для сухих поверхностей, Олег Кабов и коллеги вернулись к анализу капель над нагретой поверхностью жидкости и пришли к выводу, что новые математические методы описания взаимодействия капель с сухой поверхностью можно также применить к случаю левитации над нагретой смоченной поверхностью. В результате были получены оценки высоты левитации для этого случая.


 

Похожие новости

  • 10/08/2020

    Теплофизики создадут базу данных по экологичному органоводоугольному топливу

    ​Масштабное фундаментальное исследованиее будут вести специалисты десяти ведущих российских научных центров во главе с учеными Института теплофизики СО РАН. Участники научного консорциума объединят результаты своих исследований в области горения и детонации топлив.
    205
  • 10/06/2019

    Сибирские ученые нашли способы экологичного сжигания твердого топлива

    ​В Томском политехническом университете (ТПУ) создан Научно-образовательный центр "Экоэнергетика 4.0". В его задачи входит создание технологий по превращению низкосортного угля, отходов агропромышленного комплекса и деревообработки в экологичный источник тепла и электричества.
    855
  • 06/02/2018

    Цикл работ о левитации микрокапель жидкости студента НГУ награжден медалью РАН

    Студент Физического факультета НГУ Дмитрий Кириченко стал лауреатом премии РАН для молодых ученых и студентов высших учебных заведений за цикл работ «Левитация и самоорганизация микрокапель жидкости над сухой нагреваемой поверхностью и их взаимодействие с паровоздушным потоком вблизи контактной линии».
    1224
  • 12/02/2020

    ТПУ должен быть технологическим драйвером отраслей и территорий

    ​Проректор ТПУ по научной работе и инновациям Мехман Юсубов в своем интервью ко Дню российской науки рассказал о главных научных достижения политехников в 2019 году и вызовах на год 2020-й.— 2019 для университета в целом был разным.
    368
  • 23/04/2019

    Лауреат премии «Глобальная энергия» Сергей Алексеенко возглавил центр «Экоэнергетика 4.0» в ТПУ

    В Томском политехническом университете (ТПУ) создан Научно-образовательный центр «Экоэнергетика 4.0». В нем исследователи разрабатывают технологии по «превращению» низкосортного угля, отходов агропромышленного комплекса и деревообработки в экологичный источник тепла и электричества.
    1272
  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    2386
  • 14/02/2020

    «Большой университет» — где, какой, зачем

    ​Идея объединения академической и университетской науки в России вряд ли жизнеспособна, но удивительно живуча. На фоне новой волны разговоров о «больших университетах» рассмотрим все pro et contra относительно таких образований.
    769
  • 11/08/2020

    Академгородок 2.0 – приобретения и потери: мнения экспертов

    Что удалось сделать для развития Новосибирского научного центра за последние годы и какие задачи остаются нерешенными? Три известных российских ученых инвентаризируют достижения и проблемы в статье, написанной для «Континента Сибирь»*.
    76
  • 17/02/2020

    Ученые Сибири нашли экологичный способ сжигания отходов нефти

    ​Новое горелочное устройство позволяет сжигать отходы нефтепродуктов в струе перегретого водяного пара без использования внешних устройств и источников энергии. Специалисты, конечно же, оценят то, что это приводит к газификации углеродосодержащих продуктов термического разложения жидкого топлива, повышению эффективности реакции и более полному выгоранию углерода.
    547
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    2689