Ученые из России выяснили, как ведет себя вода при закалке стали

Физики из Москвы раскрыли необычный характер кипения воды, помогающий стали или другим сплавам очень быстро охлаждаться при их закалке. Их выводы представлены в International Journal of Heat and Mass Transfer (работа выполнена при поддержке гранта РНФ в рамках Президентской программы исследовательских проектов - прим. ред. сайта rscf.ru). 

"Мы впервые предложили ясную физическую модель, объясняющую парадоксальные явления, которые наблюдаются при охлаждении горячих тел в жидкостях. Это и закалка, и термическая обработка металлов, и охлаждение атомного реактора в случае тяжелой аварии – огромное число реальных приложений", – заявил Арслан Забиров из Московского энергетического института, чьи слова приводит пресс-служба Российского научного фонда.

Кипение воды или многих других жидкостей сопровождается формированием большого числа пузырьков пара на поверхности нагревательных элементов или стенок сосуда. Превращаясь в газ и вырываясь наружу, испаренная вода уносит с собой большое количества тепла и охлаждает оставшуюся жидкость.

Как правило, чем горячее нагревательный элемент, тем сильнее кипит вода, однако у этого процесса есть один большой "враг", открытый немецким врачом Иоганном Лейденфростом еще в середине 18 века. Он обнаружил, что капля воды, упавшая на сильно раскаленный металл, испаряется очень медленно из-за образования очень тонкой пленки из пара, изолирующей жидкость.

Это касается не только воды — нечто похожее можно наблюдать, погрузив мокрую руку в сосуд с жидким азотом или расплавленным свинцом. Открытие эффекта Лейденфроста поставило перед учеными очень интересный вопрос – если вода ведет себя подобным образом в любых условиях, как тогда работает закалка металла, во время которой температура железа падает на сотни градусов за доли секунды?

Как пишут Забиров и его коллеги, три десятка лет назад британские физики обнаружили, что вода может кипеть и другим образом, если разница в температуре между жидкостью и нагревательным элементом будет еще выше, чем при работе эффекта Лейденфроста.

В таком случае пузырьки пара становятся очень маленькими и формируются несколько иначе, что препятствует появлению "изолирующей" пленки и не тормозит, а ускоряет процесс передачи тепла. Как именно возникают эти пузырьки, ученые не понимали до недавнего времени.

Физики из Московского энергетического института нашли ответ на эту загадку, создав реалистичную математическую модель кипящей жидкости. Для этого они объединили результаты десятков экспериментов, авторы которых изучали формирование пузырьков при закалке металла и других похожих процессах. Затем ученые попытались найти те факторы, которые мешали или способствовали такой форме охлаждения воды и соприкасающихся с ней предметов.

К примеру, объединение итогов опытов показало, что подобная манера кипения характерна не для всех жидкостей и металлов, что указало на ее связь с двумя свойствами и того, и другого материала – структурой поверхности металла и вязкостью жидкости. Как оказалось, на поверхности определенных типов сплавов и металлов присутствуют особые шероховатости, которые "пробивают" пленку из пара и позволяют пузырькам вырваться на свободу.

Набор формул, который описывает этот феномен, можно использовать не только для предсказания свойств сплавов и того, как они себя ведут при закалке, но и для массы других вещей. Как надеются ученые, их открытие принесет массу пользы во всех областях науки и техники.
Источник http://rscf.ru