在日常生活中,相信大家都会发现这样的一个现象。在非常炙热的表面上,水滴会在其表面反复的弹跳。这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应。
莱顿弗罗斯特效应是一个关于液体或固体在遇到高于其沸点的表面时,会因为液体或固体的表面与热源间的温差过大而在两者之间形成一层蒸汽薄层的物理现象。
它的名称来源于18世纪的一位名为Hendrik Seevers的荷兰物理学家,他在1756年首次描述了这个现象。这个效应的原理是,一定量的液体(通常是水或者酒精)会在热源(通常是一块热的金属表面,温度在193摄氏度以上)上方汽化。然而,在表面上形成的蒸汽层形成了一道屏障,阻止热源向液体传递热量,直到蒸汽层达到一定的厚度并达到被称为 "niche" 的表面积,上方的液体才会开始沸腾。
那在日常生活中,莱顿弗罗斯特效应有什么应用呢?首先,让你学会装cool。在网上大家是否会经常看到有大神将手插入液氮的视频,那他为什么敢这样做呢?其实是液氮遇到手时,手的温度远高于氮的沸点。很短时间内,手的周围会产生的大量气态氮,气态氮的传热效率很慢,从而减慢了液氮的吸热作用,所以手并不会被冻伤。
在希腊北部有一个叫莱克达思的城镇,这里的人年年都要举行一种宗教仪式———火中行走,吸引了众多的游客围观。在中国,莆田元宵举行的抬轿走火,也吸引了众多游客的驻留。那这些参加火中行走的人的脚,为什么会一点也没有被火烫伤或烧伤呢?这是因为踏火者脚上潮湿,加之足部与木炭接触时间极短,与木炭接触时形成了一层水蒸气,水蒸气的传热效率较慢,对脚起到了保护作用,从而没有烫伤脚底。
在许多地区的烹饪中,特别是在一些烹饪传统中,他们使用莱顿弗罗斯特效应进行烹饪,这样可以保护食物,防止它过热或给它增添特殊的风味。例如,烤肉时,先在肉的表面喷上一层水或酒精,然后放在火源上,蒸汽层会阻止肉直接接触到火源,从而保护肉不被烧焦或变老。值得注意的是,一些卖锅品牌方打造的“不粘锅”噱头,其实也只是莱顿弗罗斯特效应罢了。
莱顿弗罗斯特效应在工业中也有许多应用。在电子产品的生产和维修过程中,有时需要使用热风枪对电子元件进行加热以拆卸或安装。为了防止过热,可能会在热风枪的吹口上喷上一层水或者酒精,这可以形成一层蒸汽层,使热风枪的热量不会直接影响到被加热的物体,从而避免电子元件的损坏。
在进行焊接过程之前,操作员可能会使用莱顿弗罗斯特喷雾或类似的产品,喷涂在焊接表面上。这将会产生一层几乎看不见的液体膜,可以在焊接过程中显著地减少热量直接传递到被焊接的材料。这样可以防止热损伤,保护焊缝周围区域,从而提高焊接质量。
在某些电子器件,如固态半导体、微电子元件、集成电路板等的封装过程中,使用激光束焊接时,通常需要使用莱顿弗罗斯特效应。激光束通过透镜聚焦点燃后的材料,然后在其表面上形成熔池。在这个过程中,可能需要在熔池的一侧喷洒水或其他低沸点液体。这样可以防止热直接传递到熔池区域的金属,从而保护电子器件,避免其受到热损伤。
然而,莱顿弗罗斯特效应也会在缺点。从钢铁和航空航天工业到核电站,日常生活和工业环境都需要有效地冷却热表面。喷雾和射流冷却等技术因其简单、除热能力和低用水量相结合而被广泛采用。然而,莱顿弗罗斯特效应会降低水基冷却系统的效率。如何避免水基冷却系统的莱顿弗罗斯特效应也成为学术界和工业界研究的一个课题。