Вы находитесь на старом сайте НГУ. Перейти на новый сайт

31.10.2017

Ученые НГУ вместе с коллегами из Томска 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 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.

Последняя редакция: 31.10.2017 17:04