16:04 2022-01-21
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Folosind gheața pentru a fierbe apa: un cercetător face o descoperire a transferului de căldură care se extinde pe principiul secolului al XVIII-lea
_ Utilizarea gheții a fierbe apa: un cercetător face o descoperire a transferului de căldură care se extinde pe principiul secolului al XVIII-lea
Profesorul asociat Jonathan Boreyko și colegul absolvent Mojtaba Edalatpour au făcut o descoperire despre proprietățile apei care ar putea oferi un supliment interesant la un fenomen stabilit cu peste două secole în urmă. Descoperirea deține, de asemenea, posibilități interesante pentru dispozitive și procese de răcire în aplicații industriale folosind numai proprietățile de bază ale apei. Lucrarea lor a fost publicată pe 21 ianuarie în revista Physical Review Fluids.
Apa poate exista în trei faze: un solid înghețat, un lichid și un gaz. Când căldură este aplicată unui solid înghețat, acesta devine lichid. Când se aplică pe lichid, acesta devine vapori. Acest principiu elementar este familiar pentru oricine a observat un pahar de ceai cu gheață într-o zi fierbinte sau a fiert o oală cu apă pentru a face spaghete.
Când sursa de căldură este suficient de fierbinte, comportamentul apei se schimbă dramatic. . Potrivit lui Boreyko, o picătură de apă depusă pe o placă de aluminiu încălzită la 150 de grade Celsius (302 grade Fahrenheit) sau mai mult nu va mai fierbe. În schimb, vaporii care se formează atunci când picătura se apropie de suprafață vor rămâne prinși sub picătură, creând o pernă care împiedică lichidul să intre în contact direct cu suprafața. Vaporii prinși determină lichidul să leviteze, alunecând pe suprafața încălzită ca un disc de hochei cu aer. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efectul Leidenfrost, numit după doctorul și teologul german care l-a descris pentru prima dată într-o publicație din 1751.
Acest principiu științific acceptat în mod obișnuit se aplică apei ca lichid, plutind pe un pat de vapori. . Echipa lui Boreyko s-a trezit întrebându-se: Ar putea gheața să funcționeze în același mod?
„Există atât de multe lucrări despre levitarea lichidului, am vrut să punem întrebarea despre levitarea gheții”, a spus Boreyko. „A început ca un proiect de curiozitate. Ceea ce ne-a determinat cercetarea a fost întrebarea dacă era sau nu posibil să existe un efect Leidenfrost trifazat cu solid, lichid și vapori.”
Intrarea în gheață
Curiozitatea a declanșat prima investigație în laboratorul lui Boreyko în urmă cu aproximativ cinci ani, sub forma unui proiect de cercetare al studentului de la acea vreme, Daniel Cusumano. Ceea ce a observat a fost fascinant. Chiar și atunci când aluminiul a fost încălzit peste 150 C, gheața nu a levitat pe vapori așa cum o face lichidul. Cusumano a continuat să ridice temperatura, observând comportamentul gheții pe măsură ce căldura creștea. Ceea ce a descoperit a fost că pragul pentru levitație era dramatic mai mare: 550 C (1022 F) mai degrabă decât 150 C. Până la acel prag, apa de topire de sub gheață a continuat să fiarbă în contact direct cu suprafața, mai degrabă decât să prezinte efectul Leidenfrost. .
Ce se petrecea sub gheața care prelungește fierberea? Proiectul a fost preluat de studentul absolvent Mojtaba Edalatpour la scurt timp mai târziu, pentru a rezolva misterul. Edalatpour a lucrat cu Boreyko pentru a dezvolta metode noi de transfer de căldură și a pus aceste cunoștințe să lucreze în abordarea acestei probleme. Răspunsul s-a dovedit a fi diferența de temperatură în stratul de apă de topire de sub gheață. Stratul de apă de topire are două extreme diferite: fundul său este în fierbere, ceea ce fixează temperatura la aproximativ 100 C, dar vârful său este lipit de gheața rămasă, care îl fixează la aproximativ 0 C. Modelul lui Edalatpour a relevat că menținerea acestei temperaturi extreme diferențial consumă cea mai mare parte a căldurii suprafeței, explicând de ce levitația a fost mai dificilă pentru gheață.
a detaliat Boreyko. „Diferenţialul de temperatură pe care gheaţa o creează în mod unic în stratul de apă a schimbat ceea ce se întâmplă în apă însăşi, pentru că acum cea mai mare parte a căldurii de la plită trebuie să treacă prin apă pentru a menţine acea diferenţă extremă. Deci, doar o mică parte din energia mai poate fi folosită pentru a produce vapori.”
Temperatura ridicată de 550 de grade Celsius pentru efectul înghețat Leidenfrost este practic importantă. Apa clocotită transportă în mod optim căldura departe de substrat, motiv pentru care simțiți o căldură abundentă care se ridică dintr-o oală cu apă care fierbe, dar nu dintr-o oală cu apă doar fierbinte. Aceasta înseamnă că dificultatea de a levita gheața este de fapt un lucru bun, deoarece fereastra mai mare de temperatură pentru fierbere va avea ca rezultat un transfer de căldură mai bun în comparație cu utilizarea unui lichid singur.
„Este mult mai greu să levitați gheața. decât a fost să leviteze picătura de apă”, a spus Boreyko. „Transferul de căldură scade de îndată ce începe levitația, pentru că atunci când lichidul levitează, acesta nu mai fierbe. Plutește peste suprafață în loc să se atingă, iar atingerea este ceea ce îl face să fierbe căldura. Deci, pentru transferul de căldură, levitația este groaznic. Fierberea este incredibilă.”
Folosind gheața pentru transferul de căldură
Pe măsură ce echipa explora posibilitățile de aplicare practică, s-a uitat la munca lor existentă. Deoarece Edalatpour a făcut cercetări ample în domeniul transferului de căldură, acest subiect a devenit o potrivire logică.
Transferul de căldură este cel mai în joc pentru răcirea unor lucruri precum serverele computerelor sau motoarele de mașini. Este nevoie de o substanță sau un mecanism care poate îndepărta energia de pe o suprafață fierbinte, redistribuind rapid căldura pentru a reduce uzura pieselor metalice. În centralele nucleare, aplicarea gheții pentru a induce răcirea rapidă ar putea deveni o măsură de urgență ușor de implementat în caz de cădere de curent sau o practică obișnuită pentru întreținerea pieselor centralei electrice.
Există și aplicații potențiale pentru metalurgie. Pentru a produce aliaje, este necesar să se stingă căldura de la metalele care au fost modelate într-o fereastră de timp îngustă, făcând metalul mai puternic și mai puțin fragil. Dacă s-ar aplica gheață, ar permite descărcarea rapidă a căldurii prin cele trei faze de apă, răcind rapid metalul.
Boreyko prevede, de asemenea, un potențial pentru aplicații în stingerea incendiilor.
„Tu mi-ar putea imagina un furtun special făcut care pulverizează așchii de gheață, spre deosebire de un jet de apă”, a spus el. „Acesta nu este science fiction. Am vizitat o companie aerospațială care are un tunel de gheață și au deja această tehnologie în care o duză pulverizează particule de gheață, spre deosebire de picăturile de apă.”
Cu nenumărate posibilități, Boreyko și Edalatpour sunt încântați de noua contribuție care a venit în lumea științei. Privind înapoi în ultimii cinci ani, ei încă atribuie această dezvoltare interesantă scânteia lor comună de curiozitate și impulsul de a fi creativi în cercetare.
Comentarii:
Adauga Comentariu