​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

  • 10/06/2019

    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.
    600
  • 07/09/2017

    Юбилей ИГиЛ СО РАН собрал научный форум

    В новосибирском Академгородке проходит Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», посвященная 60-летию Института гидродинамики им.
    2061
  • 03/09/2017

    Дмитрий Маркович: Масштабы молодёжи нас устраивают

    ​2017 год стал для Института теплофизики СО РАН годом перемен — здесь впервые за 20 лет сменился директор. Коллектив одного из крупнейших академических институтов энергетического профиля России возглавил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович.
    1852
  • 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.
    828
  • 01/12/2017

    Новосибирский Академгородок посетила делегация Франции

    Новосибирский Академгородок посетила делегация Департамента по сотрудничеству и культуре посольства Французской Республики в России. Встречая дипломатов в Выставочном центре СО РАН, главный ученый секретарь Сибирского отделения член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович Маркович отметил, что на основе предварительного анализа информации, на совещание приглашены представители институтов СО РАН, наиболее активно сотрудничающих с французскими университетами и Национальным центром научных исследований (CNRS).
    1293
  • 14/04/2017

    На коллайдер SuperKEKb в Японии установили детектор Belle II с российским оборудованием

    В ускорительном центре КЕК (Цукуба, Япония) завершена установка детектора Belle II в место встречи пучков коллайдера SuperKEKB, сообщает пресс-служба КЕК. Общий вес детектора превышает 1400 тонн. Одна из его ключевых систем – 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия – был создан и разработан при определяющем участии Института ядерной физики им.
    1567
  • 11/03/2019

    Делегация представителей научных институтов СО РАН посетила Омский НИИ приборостроения

    ​6 марта делегация представителей научных институтов Сибирского отделения Российской академии наук, возглавляемая председателем президиума СО РАН академиком Валентином Пармоном, посетила Омский НИИ приборостроения.
    926
  • 23/08/2019

    Академик Александр Латышев: эволюция научных школ невозможна без движения и даже турбуленции

    С самого своего рождения микро- и наноэлектроника развивается такими бешеными темпами, как никакая другая отрасль. И все это происходит буквально на наших глазах. К примеру, каждые два года мы в принципе должны выбрасывать свои сотовые телефоны и покупать новые, потому что элементная база реально меняется в два раза.
    686
  • 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.
    2070
  • 15/08/2019

    Эксперимент Belle II пройдет с участием ученых Академгородка

    ​Эксперимент Belle II — это один из экспериментов в физике высоких энергий, работающий на передовых рубежах современной науки. Данные, полученные в результате эксперимента, позволят проверить предсказания Стандартной модели для вероятностей редких распадах B- и D-мезонов и t-лептона, улучшить точность измерения параметров нарушения симметрии между веществом и антивеществом и, возможно, обнаружить проявления новой физики.
    533