喬納森·博雷科(Jonathan Boreyko)副教授領(lǐng)導(dǎo)著弗吉尼亞理工大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)在冰和水方面建立了強(qiáng)大的工作組合，探索了除冰飛機(jī)的可能性，建造了新型集水裝置，并用氣泡制造雪球。這種對(duì)水的熟悉使團(tuán)隊(duì)對(duì)水在不同狀態(tài)下的行為有了強(qiáng)烈的了解，從而產(chǎn)生了一個(gè)新項(xiàng)目，展示了與水相比，冰如何淬火。研究結(jié)果于14月<>日發(fā)表在《化學(xué)》雜志上。

Mojtaba Edalatpour和碩士生Camryn Colón進(jìn)行了這個(gè)項(xiàng)目。他們研究了從金屬中淬火的方法，這是冶金和消防等應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟。這兩種情況都需要速度。冶金學(xué)家需要迅速降低鍛件的溫度以實(shí)現(xiàn)特定的材料性能，而消防員則努力盡快阻止財(cái)產(chǎn)破壞。用水淬火只有在臨界溫度下才有效——任何更高的溫度，水就會(huì)懸浮在自己的蒸汽上，不能再將熱量煮沸。

Boreyko的團(tuán)隊(duì)想看看使用冰而不是水是否可以繞過(guò)懸浮問(wèn)題，從而能夠淬滅超熱表面。

測(cè)量、加熱和再次測(cè)量

為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，Edalatpour和Colón加熱了一個(gè)鋁制載物臺(tái)，并測(cè)量了水與冰的冷卻速度。為了確保直接比較，他們?cè)诩訜岬剿铚囟群髮⑾嗤瑪?shù)量的水和冰釋放到表面上。

當(dāng)載物臺(tái)的初始表面溫度在100°C至300°C之間時(shí)，水和冰都成功地將表面淬火到100°C以下。 然而，冰在一半的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這一結(jié)果。在較高的初始溫度(300°C至500°C)下，只有冰淬火才能成功。在這些高溫下，冰的傳熱比液態(tài)水有效100倍以上。

有什么區(qū)別?水的特性可防止它達(dá)到散熱的最佳點(diǎn)。

這個(gè)甜蜜點(diǎn)正在沸騰，因?yàn)闅馀葜幸莩龅恼羝钣行У貛ё吡藷崃俊Ｒ驗(yàn)樗诟邷叵潞苋菀讘腋≡谡魵馍?，所以它與表面絕緣，沸騰永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。冰的行為不同。當(dāng)落到熱表面上時(shí)，冰在融化時(shí)會(huì)吸收大部分熱量。這減少了可用于產(chǎn)生蒸汽氣泡的熱量，防止了懸浮問(wèn)題。換句話說(shuō)，與純水相比，融水的沸騰速度較慢，因此有助于在高溫下保持沸騰。

Boreyko將這種不尋常的液體行為與工人的生產(chǎn)力進(jìn)行了比較。

“想想一個(gè)總是專注于工作的工作狂，”他說(shuō)。“他們一開始效率很高，但很快就會(huì)筋疲力盡，變得無(wú)效。事實(shí)證明，當(dāng)水暴露在超高溫表面時(shí)，水也是同樣的方式：它在將水煮成蒸汽時(shí)非常專注和高效，以至于它經(jīng)歷了“倦怠”，這是懸浮和災(zāi)難性冷卻失敗的科學(xué)術(shù)語(yǔ)。所以冰就像一只緩慢而穩(wěn)定的，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看會(huì)獲勝。它不能很好地產(chǎn)生蒸汽氣泡，但這允許它保持沸騰并在物體加熱時(shí)避免懸浮。

冰凍的道路仍在繼續(xù)

該小組使用冰進(jìn)行淬火的假設(shè)是在最近發(fā)現(xiàn)冰在550°C之前不會(huì)懸浮并失去沸騰能力，而水則為150°C?；谶@些發(fā)現(xiàn)，Boreyko的團(tuán)隊(duì)開始了幾個(gè)應(yīng)用其原則的新項(xiàng)目。這種傳熱是第一個(gè)被發(fā)表的產(chǎn)物。

科隆的后續(xù)工作包括測(cè)量冰表面固定在恒定溫度而不是冷卻時(shí)的冷卻性能。

“當(dāng)你有一個(gè)恒定的溫度時(shí)，你可以測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱通量，這將使我們能夠直接比較冰與最先進(jìn)的鍋爐的傳熱，”科隆說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)還在集思廣益，研究如何實(shí)施實(shí)用的冰淬火系統(tǒng)。

“如何為現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)施三相傳熱還有待觀察，但我們很高興在未來(lái)幾年內(nèi)弄清楚，”Boreyko說(shuō)。“這可能涉及制造能夠噴射冰粒而不是水的噴嘴，或者看起來(lái)更像是將預(yù)先形成的冰塊釋放到過(guò)熱的表面上。在它成為現(xiàn)成的技術(shù)之前，還有很多事情需要弄清楚。