​Физики из Москвы раскрыли необычный характер кипения воды, помогающий стали или другим сплавам очень быстро охлаждаться при их закалке. Их выводы представлены в International Journal of Heat and Mass Transfer.

Когда в чайнике кипит вода, на его стенках образуются пузырьки пара. Такое кипение называется пузырьковым. Оно позволяет отводить от твердой стенки много тепла. Однако при некоторой, "критической" плотности этого теплового потока возникает так называемый пленочный режим кипения - твердая поверхность оказывается отделена от кипящей жидкости тонкой пленкой пара. Водяной пар, как и всякий газ низкой плотности, - прекрасный теплоизолятор, и поэтому при пленочном кипении процесс передачи тепла от горячего тела к жидкости замедляется. Наблюдать это явление можно, если капнуть на раскаленную плиту немного воды: капля оказывается отделена от плиты пленкой пара и начинает "скользить" по поверхности и даже подпрыгивать.

30 лет назад был обнаружен еще один режим кипения, который возникает, если разница температур нагревающего тела и жидкости еще больше. Такая ситуация возникает, например, при закалке металлов. Пленка пара в этом случае тоже образуется, но вот скорость теплопередачи не снижается, как при обычном пленочном кипении, а значительно возрастает - за секунду температура тела может упасть на 1000 градусов. При этом типе кипения вблизи паровой пленки образуются крошечные пузырьки пара, поэтому это явление назвали микропузырьковым режимом кипения. Как именно эти пузырьки образуются и как влияют на процесс теплопередачи, оставалось неизвестным. Ученые из НИУ МЭИ впервые представили физическую модель этого необычного процесса.

Авторы исследования создали большую базу экспериментальных данных и сравнили, при каких условиях возникает микропузырьковое кипение, а при каких - нет. В результате ученые пришли к выводам о физической основе явления: оказалось, такой мощный перенос тепла от раскаленного тела к жидкости происходит из-за наличия шероховатостей поверхности твердого тела и волнового течения жидкости. Пики шероховатостей иногда случайным образом "прорывают" паровую пленку, из-за чего происходит их контакт с гребнями волн жидкости. Этого контакта оказывается достаточно, чтобы большое количество тепла перенеслось от тела к жидкости.

"Модель объясняет необычайно высокие темпы охлаждения раскаленных тел в жидкостях. Она разрешает парадокс взаимодействия жидкости с поверхностью, имеющей температуру выше температуры предельного перегрева этой жидкости. Она предсказывает, на каких жидкостях и металлах этот интенсивный режим будет наблюдаться, а на каких не будет. Более того, модель с высокой точностью предсказывает температуру поверхности, при которой этот интенсивный режим начнется", - заключил один из авторов статьи Арслан Забиров, сотрудник НИУ "Московский энергетический институт".

Источники

Ученые из России выяснили, как ведет себя вода при закалке стали
РИА Новости, 30/07/2018
Создана модель парадоксального кипения воды при закалке металла
Индикатор (indicator.ru), 30/07/2018
Российские ученые объяснили, что происходит с жидкостью при закалке металла
Российская академия наук (ras.ru), 30/07/2018
Создана модель парадоксального кипения воды при закалке металла
Nanonewsnet.ru, 30/07/2018
Ученые из России выяснили, как ведет себя вода при закалке стали
Российский научный фонд (рнф.рф), 30/07/2018
Ученые из России выяснили, как ведет себя вода при закалке стали
Российский научный фонд (rscf.ru), 30/07/2018
Ученые объяснили, что происходит с жидкостью при закалке металла
Газета.Ru, 30/07/2018
При закалке металла происходит микропузырьковое кипение
Newstes.ru, 31/07/2018
При закалке металла происходит микропузырьковое кипение
Полит.ру, 31/07/2018
При закалке металла происходит микропузырьковое кипение
SMIonline (so-l.ru), 31/07/2018

Похожие новости

  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    208
  • 10/09/2018

    Физики изучили свойства плазмонов в наноструктурированном графене

    Группа ученых из России и Австрии продемонстрировала, что взаимодействие между плазмонными колебаниями в наноструктурированном графене приводит к сильному сдвигу спектра поглощения света в дальнем инфракрасном диапазоне.
    140
  • 10/09/2018

    Ученые реконструировали 3D-модель еды по двумерному изображению ее структуры

    ​Ученые показали, что на основе двумерного изображения продуктов питания можно создать трехмерную модель их внутреннего строения. Опираясь на нее, можно предсказать физические свойства пищевого продукта и смоделировать процессы, происходящие внутри него.
    188
  • 09/08/2018

    Ученые разработали микрокапсулы с квантовыми точками для диагностики рака

    Ученые Лаборатории нано-биоинженерии Инженерно-физического института биомедицины Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" Галина Нифонтова, Мария Звайзгне, Мария Барышникова и Игорь Набиев в сотрудничестве с исследователями из МФТИ, Института экспериментальной медицины Макса Планка (Германия) и Реймского университета Шампань-Арденн (Франция) разработали полиэлектролитные микрокапсулы со встроенными квантовыми точками, которые могут использоваться для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
    181
  • 20/07/2018

    Физики из России создали «лампочку» из оптоволокна, работающую в космосе

    ​Российские ученые создали прототип оптоволоконных источников света, способных работать в космосе и не разрушаться под действием радиации. "Инструкции" по их сборке были опубликованы в Journal of Lightwave Technology.
    209
  • 06/06/2018

    Луч-бублик поможет в создании наноиглы для миниатюрной электроники

    ​Найден способ создавать сверхтонкие элементы наноэлектроники при помощи лазерных лучей в форме бублика. Новая технология поможет уменьшить элементы на микросхемах до размеров нескольких десятков атомов, что в десять раз меньше, чем возможно сегодня.
    181
  • 18/05/2016

    В Подмосковье на ускорителе ИЯФ СО РАН будут облучать провода для военной авиации

    ​Специалисты Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) изготовили промышленный ускоритель семейства ИЛУ-8 для Особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП, Мытищи).
    1536
  • 02/03/2018

    Первые испытания начались на коллайдере NICA в Дубне

    ​Ученые из США, Тель-Авива, Германии, Франции и России два дня назад начали эксперименты на коллайдере тяжелых ионов NICA в Дубне Московской области. Об этом на пресс-конференции в Новосибирске рассказал директор лаборатории физики высоких энергий Владимир Кекелидзе.
    385
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    110
  • 16/10/2018

    Профессор Ильдар Габитов: электроника зашла в тупик

    ​Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры... Все это плоды одной и той же науки - фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, "Огоньку" рассказал профессор Сколтеха Ильдар Габитов.
    77