รองศาสตราจารย์Jonathan Boreykoและเพื่อนร่วมบัณฑิตMojtaba Edalatpourได้ค้นพบเกี่ยวกับคุณสมบัติของน้ำที่สามารถให้ส่วนเสริมที่น่าตื่นเต้นสำหรับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อสองศตวรรษที่ผ่านมา การค้นพบนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์และกระบวนการระบายความร้อนในการใช้งานทางอุตสาหกรรมโดยใช้คุณสมบัติพื้นฐานของน้ำเท่านั้น ผลงานของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันที่ 21 มกราคมในวารสารPhysical Review Fluids
น้ำสามารถดำรงอยู่ได้ 3 สถานะ คือ ของแข็งเยือกแข็ง
ของเหลว และก๊าซ เมื่อให้ความร้อนกับของแข็งเยือกแข็ง มันจะกลายเป็นของเหลว เมื่อโดนของเหลวจะกลายเป็นไอ หลักการพื้นฐานนี้เป็นที่คุ้นเคยสำหรับใครก็ตามที่สังเกตเห็นแก้วชาเย็นในวันที่อากาศร้อน หรือต้มน้ำเพื่อทำสปาเก็ตตี้ เมื่อแหล่งความร้อนร้อนเพียงพอ พฤติกรรมของน้ำจะเปลี่ยนไปอย่างมาก จากข้อมูลของ Boreyko หยดน้ำที่เกาะอยู่บนแผ่นอลูมิเนียมที่ร้อนถึง 150 องศาเซลเซียส (302 องศาฟาเรนไฮต์) หรือสูงกว่านั้นจะไม่เดือดอีกต่อไป ไอระเหยที่ก่อตัวขึ้นเมื่อหยดเข้าใกล้พื้นผิวจะถูกกักไว้ใต้หยด ทำให้เกิดเบาะที่ป้องกันไม่ให้ของเหลวสัมผัสกับพื้นผิวโดยตรง ไอระเหยที่ติดอยู่ทำให้ของเหลวลอยขึ้น เลื่อนไปรอบๆ พื้นผิวที่ร้อนเหมือนลูกฮ็อกกี้อากาศ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์น้ำแข็งไลเดนฟรอสต์ ซึ่งตั้งชื่อตามแพทย์และนักศาสนศาสตร์ชาวเยอรมันผู้อธิบายปรากฏการณ์นี้ครั้งแรกในสิ่งพิมพ์ในปี ค.ศ. 1751 หลักการทางวิทยาศาสตร์ที่ยอมรับโดยทั่วไปนี้ใช้กับน้ำที่เป็นของเหลวซึ่งลอยอยู่บนชั้นไอ ทีมของ Boreyko พบว่าตัวเองสงสัยว่า: น้ำแข็งสามารถแสดงในลักษณะเดียวกันได้หรือไม่?
“มีเอกสารมากมายเกี่ยวกับของเหลวที่ลอยได้ เราต้องการถามคำถามเกี่ยวกับน้ำแข็งที่ลอยได้” Boreyko กล่าว “มันเริ่มต้นจากโครงการความอยากรู้อยากเห็น สิ่งที่ผลักดันการวิจัยของเราคือคำถามที่ว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะเกิดปรากฏการณ์ Leidenfrost สามเฟสด้วยของแข็ง ของเหลว และไอ”
ความอยากรู้อยากเห็นจุดประกายให้เกิดการสอบสวนครั้งแรกในห้องทดลองของ Boreyko เมื่อห้าปีที่แล้ว ในรูปแบบของโครงการวิจัยโดย Daniel Cusumano ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับปริญญาตรีในขณะนั้น สิ่งที่เขาสังเกตเห็นนั้นน่าทึ่ง แม้ว่าอะลูมิเนียมจะได้รับความร้อนสูงกว่า 150 องศาเซลเซียส น้ำแข็งก็ไม่ลอยเป็นไอเหมือนของเหลว คูซูมาโนยังคงเพิ่มอุณหภูมิ สังเกตพฤติกรรมของน้ำแข็งเมื่อความร้อนเพิ่มขึ้น สิ่งที่เขาพบคือเกณฑ์สำหรับการลอยนั้นสูงขึ้นอย่างมาก: 550 C (1,022 F) แทนที่จะเป็น 150 C จนกระทั่งถึงเกณฑ์นั้น น้ำที่ละลายใต้น้ำแข็งยังคงเดือดเมื่อสัมผัสโดยตรงกับพื้นผิว แทนที่จะแสดงปรากฏการณ์ Leidenfrost .
เกิดอะไรขึ้นใต้น้ำแข็งที่ทำให้เดือดนานขึ้น?
โครงการนี้ได้รับเลือกคืนโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Mojtaba Edalatpour ในเวลาอันสั้นต่อมา เพื่อไขปริศนา Edalatpour ทำงานร่วมกับ Boreyko เพื่อพัฒนาวิธีการถ่ายเทความร้อน แบบใหม่ และนำความรู้นั้นมาใช้ในการแก้ไขปัญหานี้ คำตอบคือความแตกต่างของอุณหภูมิในชั้นน้ำละลายใต้น้ำแข็ง ชั้นน้ำละลายมีอุณหภูมิสุดขั้วที่แตกต่างกันสองแบบ: ด้านล่างเดือด ซึ่งกำหนดอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 100 C แต่ด้านบนติดกับน้ำแข็งที่เหลืออยู่ ซึ่งตรึงไว้ที่ประมาณ 0 C แบบจำลองของ Edalatpour เปิดเผยว่าการรักษาอุณหภูมิสุดขั้วนี้ไว้ ดิฟเฟอเรนเชียลใช้ความร้อนส่วนใหญ่ของพื้นผิว อธิบายว่าทำไมการลอยตัวจึงยากกว่าสำหรับน้ำแข็ง
Boreyko อธิบายอย่างละเอียด “ความแตกต่างของอุณหภูมิที่น้ำแข็งสร้างขึ้นโดยเฉพาะในชั้นน้ำได้เปลี่ยนแปลงสิ่งที่เกิดขึ้นในน้ำเอง เพราะตอนนี้ความร้อนส่วนใหญ่จากแผ่นความร้อนต้องผ่านน้ำเพื่อรักษาความแตกต่างที่รุนแรงนั้นไว้ ดังนั้นพลังงานเพียงส่วนน้อยจึงสามารถนำมาใช้เพื่อผลิตไอได้อีกต่อไป” อุณหภูมิที่สูงขึ้น 550 องศาเซลเซียสสำหรับปรากฏการณ์น้ำแข็งไลเดนฟรอสต์นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง น้ำเดือดจะถ่ายเทความร้อนออกจากวัสดุพิมพ์ได้อย่างเหมาะสม ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้คุณรู้สึกได้ถึงความร้อนที่เพียงพอซึ่งเพิ่มขึ้นจากหม้อน้ำที่กำลังเดือด แต่ไม่ใช่จากหม้อน้ำที่ร้อนจัด ซึ่งหมายความว่าความยากลำบากในการลอยตัวของน้ำแข็งเป็นสิ่งที่ดี เนื่องจากหน้าต่างอุณหภูมิที่ใหญ่ขึ้นสำหรับการเดือดจะส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้นเมื่อเทียบกับการใช้ของเหลวเพียงอย่างเดียว
“การทำให้น้ำแข็งลอยนั้นยากกว่าการทำให้หยดน้ำลอย” Boreyko กล่าว “การถ่ายเทความร้อนจะลดลงทันทีที่เริ่มลอย เพราะเมื่อของเหลวลอยขึ้น มันไม่เดือดอีกต่อไป มันลอยอยู่เหนือพื้นผิวมากกว่าสัมผัส และการสัมผัสคือสิ่งที่ทำให้มันเดือดเพื่อระบายความร้อนออกไป ดังนั้น สำหรับการถ่ายเทความร้อน การลอยเป็นสิ่งที่แย่มาก การเดือดนั้นเหลือเชื่อ”
วิดีโอสโลว์โมชั่นที่ความเร็ว 20 เปอร์เซ็นต์ ขณะที่น้ำแข็งกลายเป็นน้ำและน้ำก็ลอยขึ้น เอื้อเฟื้อวิดีโอโดย Mojtaba Edalatpour ในขณะที่ทีมสำรวจความเป็นไปได้สำหรับการใช้งานจริง พวกเขามองไปที่งานที่มีอยู่ เนื่องจาก Edalatpour มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อน หัวข้อนี้จึงกลายเป็นเรื่องที่เหมาะสม
การถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่มีบทบาทในการระบายความร้อน เช่น เซิร์ฟเวอร์คอมพิวเตอร์หรือเครื่องยนต์ของรถยนต์ ต้องการสารหรือกลไกที่สามารถเคลื่อนย้ายพลังงานออกจากพื้นผิวที่ร้อน กระจายความร้อนอย่างรวดเร็วเพื่อลดการสึกหรอของชิ้นส่วนโลหะ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ การใช้น้ำแข็งเพื่อกระตุ้นให้เย็นลงอย่างรวดเร็วอาจกลายเป็นมาตรการฉุกเฉินที่ปรับใช้ได้ง่ายหากไฟฟ้าขัดข้องหรือเป็นการปฏิบัติตามปกติสำหรับการซ่อมแซมชิ้นส่วนของโรงไฟฟ้า
นอกจากนี้ยังมีการใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับโลหะวิทยา ในการผลิตโลหะผสม จำเป็นต้องดับความร้อนจากโลหะที่ขึ้นรูปในช่วงเวลาแคบๆ ทำให้โลหะแข็งแรงขึ้นและเปราะน้อยลง หากใช้น้ำแข็ง จะช่วยให้ความร้อนถูกถ่ายออกอย่างรวดเร็วผ่านน้ำทั้งสามเฟส ทำให้โลหะเย็นลงอย่างรวดเร็ว
นอกจากนี้ Boreyko ยังเล็งเห็นถึงศักยภาพในการใช้งานในการดับเพลิงอีกด้วย “คุณคงนึกภาพออกว่ามีสายยางที่ทำขึ้นเป็นพิเศษซึ่งพ่นเศษน้ำแข็งแทนที่จะเป็นไอพ่นน้ำ” เขากล่าว “นี้ไม่ได้เป็นนิยายวิทยาศาสตร์. ฉันไปเยี่ยมบริษัทการบินและอวกาศที่มีอุโมงค์ไอซิ่ง และพวกเขามีเทคโนโลยีนี้อยู่แล้ว โดยหัวฉีดจะพ่นละอองน้ำแข็งออกมาแทนที่จะเป็นหยดน้ำ”
ด้วยความเป็นไปได้มากมาย Boreyko และ Edalatpour รู้สึกตื่นเต้นกับผลงานใหม่ที่มาสู่โลกวิทยาศาสตร์ เมื่อมองย้อนกลับไปในช่วงห้าปีที่ผ่านมา พวกเขายังคงให้เครดิตการพัฒนาที่น่าตื่นเต้นนี้จากการจุดประกายความอยากรู้อยากเห็นร่วมกันและแรงผลักดันที่จะสร้างสรรค์ในการวิจัย
credit: sharedknowledgesystems.com mitoyotaprius.net sefriends.net coachsfactorysoutletonline.net psychoanalysisdownunder.com coachfactoryoutletonlinestorez.net cheapshirtscustom.net marchcommunity.net gstools.org sougisya.net
