莱顿弗罗斯特效应 莱顿弗罗斯特是哪国人

水是生命的重要组成元素，但同时，水也是工业活动的关键元素。比如自工业革命以来，瓦特改进了蒸汽机，大大提高了蒸汽机的效率，给人类带来了第一次技术革命之后，水就成了现代人类工业文明的奠基石之一。

即便是号称能带来无限能源的核电，也离不开水的参与。因此多年以来，水不断在固体、液体和气体三种相态间不断转换，为人类社会赋能。

此外，最新研究显示，如果把冰块放在热金属板上，那么在它消失之前，冰在冷热交汇的边界处会发生意想不到的事情。这一发现可能会带来更好的金属回火方法，并在最坏的情况下防止核事故。 这个原理源自莱顿弗罗斯特效应。

众所周知，将水滴洒在远高于水沸点的物体上，它们不会迅速变成蒸汽，而是会在热表面上跳起舞步，在表面上无摩擦地滑行。这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应，以德国医生和神学家的名字命名，他在 1751 年的出版物中首次描述了这种现象。此外还能以各种形式出现，如室温表面上的液氮，以及走火者在热煤上漫步而不会受到伤害。

这是因为当液体与热表面接触的部分会迅速沸腾形成蒸气，使液滴的其余部分与热表面绝缘。由于气体的导热性远比液体差，所以蒸气层阻隔了液体直接接触热表面，大大降低水滴沸腾的速度。

因此在传统的过火仪式上，走火者会先沾湿双脚。再加上莱顿弗罗斯特现象令水不会快速升温，使得热不容易传到脚上。也就导致即使人们走在火堆之上，也不易被烧得火红的炭火烫伤。

此外，现代航天发射使用的液体火箭发动机，同样因莱顿弗罗斯特现象而受益。也就是，火箭内极低温的液体燃料或液体氧化剂，会在发动机燃烧室与喷嘴的内壁渗出形成一层气膜，隔绝炽热的燃气与室壁的传热。该过程被称为“气膜冷却”，可以使液体火箭发动机在极高温燃气下，长时间工作并可以多次点火、重复使用。

但以往这些莱顿弗罗斯特现象都发生在液体与气体之间，也可被称为二相莱顿弗罗斯特现象。如果把固体，比如冰即便加热到150摄氏度以上，也不会像液体那样悬浮在蒸汽上。

随后研究人员继续提高加热温度，观察冰在热量增加时的行为。他发现让冰悬浮起来的阈值要比水高得多，达到550摄氏度（1022 华氏度）而不是150摄氏度。而当超过550摄氏度时，冰出现了固体、液体和蒸汽的三相莱顿弗罗斯特现象。

那么表现出三相莱顿弗罗斯特效应的冰，发生了什么？

经过研究人员的努力，发现答案原来是在冰下融水层的温差上。已知融水层有两个不同的极端，分别是底部沸腾，温度固定在100摄氏度左右的一面，与顶部凝固，温度在0摄氏度左右的一面。

研究模型显示，为了维持这个极端温度差异消耗了大部分物体表面的热量，这解释了为什么悬浮对冰来说更困难。因为独特的温差改变了水本身的情况，使得来自热表面的大部分热量必须穿过水才能保持这种极端差异。所以只剩一小部分能量可以用来产生蒸汽了，只因温度被传递走了。就像纸锅烧水，纸的温度却始终上不了，不足以被点燃。因此只有在极端温度下，热量才能以足够快的速度进入水中，以使其沸腾而不是向上传递。

研究人员表示，热传递在冷却计算机服务器或汽车发动机等物体方面发挥着很大作用。因为它们需要一种物质或机制，可以将能量从热表面移开，并快速重新分配热量以减少金属部件的磨损。同时，在核电站中，也可以使用冰作为冷却剂来诱使其快速冷却。有可能避免当年福岛核电站灾难后，进行冷却核反应堆时遇到的问题。

因为液体快速蒸发导致的莱顿弗罗斯特效应，毫无疑问的干扰了福岛核灾难后冷却核反应堆的效率，但冰冷却剂却可能会规避这一点。此外，冰冷却剂在冶金方面也有潜在的应用。这是因为如果金属成型后冷却速度太慢，金属工具会变脆。所以为了使金属更坚固、更不易碎，有必要在很短的时间内淬灭金属的热量。

但自铁器时代以来，快速淬火一直是一个挑战。可如果使用冰冷却剂，它将允许热量通过三个水相快速降温，从而快速冷却金属。甚至在未来消防灭火方面，可能会出现一种特制的软管，喷射出的是冰屑，而不是水流。而且据研究人员表示，在国外一家拥有结冰隧道的航空航天公司，已经拥有了这项技术，它们的喷嘴喷射出的就是冰粒而不是水滴。