Sciencemag.cz
Doporučujeme
Pokud dáme kapičku vody na rozžhavenou vodorovnou desku o teplotě nad 150 °C, voda se kupodivu tak lehce nevypaří. Na páru se totiž přemění jen tenká vrstvička při styku s horkým povrchem a zbytek kapaliny po ní bude klouzat. Kapky zde levitují nebo až tančí. K odpaření veškeré kapaliny dojde tedy kupodivu později, než když je plotna o něco chladnější. To je tzv. Leidenfrostův jev, popsaný již v roce 1751.
Jonathan Boreyko a Mojtaba Edalatpour z Virginia Tech nyní zkusili, jak by to celé mohlo fungovat s ledem. Bude led také levitovat? Dostaneme nějaký relativně složitější systém zahrnující všechny tři fáze (skupenství) vody? Již před 5 lety se touto otázkou zabýval ve stejné laboratoři Daniel Cusumano. Ukázalo se, že led na parách nijak nelevitoval, prostě normálně tál a voda pod ním vřela. K levitaci došlo až při mnohem vyšší teplotě, asi 550 °C (poznámka: na hliníkovém povrchu, i když to by snad žádnou zvláštní roli hrát nemělo).
Co se dělo pod ledem, že var probíhal normálně i za vyšších teplot? Podle nového výzkumu se odpověď skrývá v rozdílu teplot ve vrstvě tající vody pod ledem. Podle modelu ve vrstvě tající vody existuje výrazný gradient teploty a udržování tohoto extrémního teplotního rozdílu spotřebovává většinu tepla na povrchu. Z toho pak vyplývá, že levitace je pro led obtížnější. Jinak řečeno: dodané teplo udržuje onen extrémní gradient a jen nepatrný zlomek energie se tak může využít k produkci páry. Levitace tudíž vstoupí do hry až při mnohem vyšší teplotě.
Co z toho dále vyplývá v praxi, třeba pro vaření? Vroucí voda je nejlepším přenašečem tepla. Pokud nám v hrnci vznikne na spodku pára a dojde k levitaci, uvaříme obsah hrnce pomaleji a spotřebujeme více energie. Levitace zpomaluje přenos tepla, protože voda se nad horkým povrchem spíše vznáší, než aby se ho přímo dotýkala. Takto bráno nám led (paradoxně) umožňuje vařit rychleji, respektive nám poskytuje delší „teplotní okno“, v němž proces probíhá efektivně.
Přenos tepla je dnes důležitý nejen při vaření, ale také při chlazení; i zde by tedy led mohl sehrát svou roli – a to ani ne (jen) kvůli tomu, že na jeho roztátí se spotřebuje další teplo. V datových centrech, motorech aut i letadel potřebujeme co nejefektivněji odvádět teplo, protože vysoká teplota (obvykle a kromě jiného) znamená rychlejší opotřebení a degradaci aktivních materiálů. Jak praví průvodní tisková zpráva k nové studii, např. v jaderných elektrárnách by se použití ledu za účelem rychlého chlazení mohlo stát snadno použitelným nouzovým opatřením v případě výpadku elektrického proudu nebo i pravidelnou praxí při údržbě částí elektrárny.
Potenciální využití se nabízí také v metalurgii. Při výrobě slitin potřebujeme odebírat teplo z kovů, které jsou tvarovány v úzkém časovém okně, čímž se kov stává pevnějším a méně křehkým. Pokud by se použil led, umožnil by rychlý odvod tepla prostřednictvím tří vodních fází, čímž by se kov ochladil rychleji.
A co zkusit využít tento jev také v hasičství? „Můžete si představit, že byste měli speciálně vyrobenou hadici, která by stříkala ledovou tříšť namísto proudu vody,“ uvádí J. Boreyko. „To ani není sci-fi. Navštívil jsem jednu leteckou společnost, která má ledový tunel, a ta technologii, kdy tryska stříká ledové částečky, již využívá.“
Physical Review Fluids, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.00.004000
Zdroj: Virginia Tech / Phys.org
Poznámka PH: Bude se v tomto ohledu voda chovat nějak odlišně než většina kapalin, protože led má menší hustotu než kapalná fáze?
