历史故事

水滴爬坡之谜

 

 

正在爬坡的鬼魂液滴
在一种锯齿状的斜坡上,一个水滴正在像变形虫一样往斜坡上爬,确切地说,还不能叫“爬”,仔细瞅瞅,那是叫“飘”,水滴的下表面并没有接触到锯齿形的台阶,水滴竟然是飘着往坡上走的!并且每路过一个锯齿的时候,水滴的下表面还会自动凹进去,始终保持着与锯齿形台阶之间有一点空地。真是惊人!这水滴简直就是个鬼魂,往坡上爬就已经够惊人了,更惊人的是,它往上爬还不需要接触台阶的!
地球上怎么会有这种水滴?真是水滴中的“怪胎”?不敢相信!但这情形却是真实的,是美国科学家制造出来的现象,并用微距镜头拍摄,就可以给我们出现出这一雷人画面。莫非科学家给水滴施了什么邪术?没有,科学家明了地告诉你,奥秘不在水滴,而要把眼光集中到它爬的斜坡上。这种锯齿形斜坡的温度达到一定程度,就可以让水滴呈现这种惊人的行为。
也许你仍是不明白,下面细细剖析。
温度越高,蒸发越慢
做过饭的人都见过这种现象,当铁锅烧干后,往锅里淋点水滴,有时水滴会“哧啦”一声不见了,有时水滴却会在锅里跳“霹雳舞”。这是怎么回事呢?
这个现象早在1732年就有人注意到了,1756年,希腊科学家莱顿弗洛斯特对这种现象进行过细致的研究。他那时用平底锅进行尝试,把锅迟钝加热,随着温度的升高,落在锅里的水滴被蒸发得越来越快,当锅底的温度在170℃左右时,水滴在锅里“生存”的时间不到1秒钟,刚落下去就被蒸发殆尽了。继续升高锅底的温度,水滴在锅底逗留的时间却反而越来越长,当锅底的温度达到210℃左右时,水滴的“生命”忽然增长到150秒!而200℃时,还只有20多秒。也就是说,在210℃左右时,水滴在锅里的行为发生了巨变,导致蒸发忽然减慢。这也说明,锅底的温度越高,水滴有时反而蒸发越慢,这有点太违反常规了!为什么会这样?
液滴,液滴,飘起来
仔细观测水滴的行为,靠近170℃时,水滴产生的蒸汽越来越多,蒸汽的产生会把水滴爆开,形成更细小的水滴,从而增大了与锅底的接触面,于是,水滴蒸发就更快,“哧啦”一声,黄豆粒巨细的水滴不到1秒钟就不见了。
可是温度更高的话,产生的蒸汽更猛烈,会让水滴在锅里蹦跳起来,水滴在空中升降的过程中不会受热,从而延长了水滴的“生命”。水滴的这两种表现,做饭的人常常见到,也很轻易理解。
假如让锅底的温度继续升高,就会呈现达到约莫210℃时,水滴遇到锅底的刹时就会产生大量蒸汽,这蒸汽足以把水滴包围着托起来!让水滴躺在蒸汽垫上。水滴一旦安稳地飘起来,就平静了,不再蹦跳,也不再触碰锅底,与锅底保持约0.1毫米的距离。但是,蒸汽垫消失了,水滴仍是会遇到锅底吧。巧的是,这时锅底向上辐射的热量就足以让悬着的水淌下表面不停蒸发,蒸发产生的蒸汽恰好可以让水滴继续躺在蒸汽垫上。这时的水漓本身就像是一艘“气垫船”,自己被自己喷出的蒸汽托浮着。不过,由于靠辐射传递的热量有限,因此躺在“气垫船”上的水滴蒸发较慢,可以恒久不消失。
锅底的温度保持在210℃以上,假如向锅里多喷一些水滴,还可以看到水滴聚在一起进行更出色的演出:水滴在锅底会形成小水汪,小水汪也是躺在蒸汽垫上的,但这时的小水汪像一朵盛开的花朵,呈现一圈又一圈的花边波纹,花边波纹还会不停变化,煞是悦目。小水汪为什么会这么“享受”?本来水汪向下喷射的蒸汽遇到锅底反弹回来,给水汪以向上的托力,这反弹蒸汽向上的流动不匀称,于是就会引起小水汪振动,从而呈现花边波纹。
爬坡液滴为何鬼魂
至此,也许你早已明白,锯齿斜坡上的水滴为什么会飘着向上爬了。首先锯齿斜坡的温度在210℃以上,热辐射导致水滴向下喷射蒸汽,蒸汽碰到锯齿形台面后,反弹回来,由于锯齿形台面是斜的,那么反弹回来的蒸汽推力也是斜向上的,于是就可以托着水滴一个台阶一个台阶地向上爬了。
路过细致的尝试,科学家发现,水滴以这种方式能够向上爬的最高坡度可以有12度,爬坡过程中,水滴始终与固体表面保持着至少0.1毫米的距离。当然这需要用微距拍照的方法进行放大,能力观测到。
有意义的是,不只是水有这些有趣的现象,大部分液体都有这种现象。正是由于别的液体也会呈现在锯齿斜坡上爬坡的现象,这种现象可以用于制作高效的芯片冷却系统。此刻影响电脑速度的不是芯片处置速度不够,而是冷却技能不够。因为芯片处置速度越快,放热越多,而平日的扇风冷却方式无法把产生的热量及时排走,导致电脑速度减慢。上述液滴爬坡的现象开导了科学家,人们完全可以把芯片表面设计成锯齿形,让冷却剂液滴迟钝爬过芯片,但又不接触芯片,从而自动快速地为芯片降温。
水的表现与水滴千篇一律
液滴飘起来的现象有趣、有用,另有更大的意义,它引导科学家进行了更深入的研究。通过上述现象,我们知道,要想快速蒸发水滴,并不是加热器的温度越高越好。而研究发现,不管水的体积有多大,要想快速加热水,也不是温度越高越好。
加热器在约170℃时,传热速度较快,温度再高,水与加热器之间就轻易呈现蒸汽隔层,影响传热,温度为300℃左右的加热器整个都会与水之间形成蒸汽隔层,传热速度最慢。当然随着温度的升高,通过热辐射传递的热量也会增加,但这需要加热器的温度达到1000℃以上,才会呈现与170℃时差不多的传热速度。知道了这些,既然低温下能做到的事情,谁也不会傻到把加热器加热到1000℃以上,挥霍能源不说,没有几许材料可以蒙受这个温度。
不过我们一般烧水的炉子还无法让水壶的温渡过高,烧水炉传给水壶的热量被水接收,水壶壶底的温度不会跨越200℃,这正好可以让水壶烧水速度保持在最快的范围。
这个现象不但对工业传热有指导,并且对于水冷却也有很大的指导意义,假如一个部件产生热量过多,冷却水无法及时把热量带走,部件就会过热,导致水蒸汽隔阂产生,水蒸汽隔阂一旦产生,传热速度将大大降低,水冷却的效果忽然变小,导致部件温度向1000℃飙升,部件也就完了。因此,采纳水冷却的系统,一定要保证足够的冷却水流量,不能让部件呈现过热的情形,不然将一发不可收拾。
这个现象还可以让你演出一个专业的把戏。当众把铅加热到熔化,铅的熔点是328℃,继续加热一会,让铅水的温度达到400℃。然后把火腿肠深入铅水中,顿时拿出来,可以瞥见火腿肠的肠衣被铅水烫得焦糊!观众震惊。还没等观众反映过来,你已经把一根手指头伸入了铅水,在观众的惊呼中,你把手指从铅水中拿了出来,结果手指却完好无损,一点事都没有。本来观众不知道的是,你的手指是在水中浸过的,表面挂着小水珠,在伸入铅水的短时间内,水珠汽化,形成一层蒸汽隔层,庇护你的手指。不过,这个把戏万万不要容易仿照,不小心会把铅水带上来,烫伤皮肤。
不但水有这些现象,好多别的液体都有这些现象。比方液氮也会呈现与上述把戏相似的情形:液氮的沸点是-196℃,因此液氮的温度一般在-200℃以下,我们手掌的温度则要高出液氮的温度至少220℃,我们完全可以把手掌直接探入液氮中,短时间内不会被冻伤,因为手掌对于液氮来说相当于温渡过高的加热器,液氮蒸发会形成氮气隔层把手掌与液氮隔断。也因此,用液氮冷冻常温物体,开始时,冷冻效率不高。最好把物体放在冰箱内冷冻到零下几十摄氏度,再用液氮冷却就高效了。
大自然真是爱表现,在加热液体这狭小的范畴内,也要充分展示一下它的巧妙。