محقق ایرانی به همراه همکارش کشف انتقال حرارت را بر اساس اصل قرن هجدهم گسترش میدهند.
جاناتان بوریکو و مجتبی عدالت پور ، کشفی در مورد خواص آب انجام داده اند که می تواند مکمل هیجان انگیزی برای پدیده ای باشد که بیش از دو قرن پیش ایجاد شده است. این کشف همچنین دارای امکانات جالبی برای دستگاه‌ها و فرآیندهای خنک‌کننده در کاربردهای صنعتی است که فقط از ویژگی‌های اساسی و اولیه آب استفاده می‌کنند.
آب می تواند در سه فاز وجود داشته باشد: یک جامد یخ زده یا منجمد، یک مایع و یک گاز. هنگامی که حرارت به یک جامد منجمد اعمال می شود، به مایع تبدیل می شود. وقتی روی مایع اعمال می شود به بخار تبدیل می شود. این اصل ابتدایی برای هر کسی که یک لیوان چای سرد را در یک روز گرم مشاهده کرده است، یا یک قابلمه آب را برای تهیه اسپاگتی جوشانده باشد، آشناست.
هنگامی که منبع گرما به اندازه کافی داغ است، رفتار آب به طور چشمگیری تغییر می کند. به گفته بوریکو، یک قطره آبی که روی صفحه آلومینیومی که تا دمای 150 درجه سانتیگراد (302 درجه فارنهایت) یا بالاتر قرار گرفته است، دیگر نمی جوشد. در عوض، بخاری که هنگام نزدیک شدن قطره به سطح ایجاد می‌شود، در زیر قطره محبوس می‌شود و بالشتکی ایجاد می‌کند که مانع از تماس مستقیم مایع با سطح می‌شود. بخار به دام افتاده باعث می شود که مایع معلق شود و مانند یک توپ هاکی هوا در اطراف سطح گرم بلغزد. این پدیده به عنوان اثر لیدنفراست شناخته می شود که به نام دکتر والهیدان آلمانی که اولین بار آن را در یک نشریه 1751 توصیف کرد، نامگذاری شد.
این اصل عمومی پذیرفته شده عمومی در مورد آب به عنوان مایع شناور بر بستری از بخار اعما می شود. در همین بین، تیم Boreyko این سوال را مطرح کردند: آیا یخ می تواند به همین شکل عمل کند؟
بوریکو گفت: «مقالات زیادی در مورد شناور شدن مایع وجود دارد، ما می‌خواستیم این سوال را در مورد معلق و شناور شدن یخ بپرسیم. "این به عنوان یک پروژه در حد کنجکاوی آغاز شد. آنچه باعث تحقیقات ما شد این سوال بود که آیا می‌توان یک اثر لیدنفراست سه فازی با جامد، مایع و بخار داشت یا خیر."
کنجکاوی اولین تحقیق را در آزمایشگاه بوریکو حدود پنج سال پیش در قالب یک پروژه تحقیقاتی توسط دانشجوی آن زمان، دانیل کوسومانو، جرقه زد. آنچه او مشاهده کرد بسیار جذاب بود. حتی زمانی که آلومینیوم در دمای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد گرم شد، یخ مانند مایع روی بخار معلق نشد. کوزومانو به افزایش دما ادامه داد و رفتار یخ را با افزایش گرما مشاهده کرد. چیزی که او دریافت کرد این بود که آستانه شناور شدن به طور چشمگیری بالاتر بود: 550 درجه سانتیگراد (1022 فارنهایت) به جای 150 درجه سانتیگراد. تا آن آستانه، آب ذوب زیر یخ به جای نشان دادن اثر لیدنفراست، در تماس مستقیم با سطح به جوشیدن ادامه می داد.
زیر یخ چه خبر بود که جوشش را طولانی کرد؟ این پروژه مدتی بعد توسط دانشجوی فارغ التحصیل مجتبی عدالت پور برای حل معمای آن بازگردانده شد. عدالت پور با Boreyko برای توسعه روش‌های جدید انتقال گرما کار می‌کرد و این دانش را برای حل این مشکل به کار می‌گرفت. پاسخ معلوم شد که تفاوت دما در لایه آب مذاب زیر یخ است. لایه آب مذاب دو حد متفاوت دارد: کف آن در حال جوشیدن است که درجه حرارت را در حدود 100 درجه سانتیگراد ثابت می کند، اما قسمت بالای آن به یخ باقیمانده چسبیده است که آن را در حدود 0 درجه سانتیگراد ثابت می کند. مدل عدالت پور نشان داد که حفظ این دمای شدید دیفرانسیل بیشتر گرمای سطح را مصرف می کند و توضیح می دهد که چرا شناور شدن برای یخ دشوارتر است.
بوریکو توضیح داد. "تفاوت دمایی که یخ به طور منحصربه‌فرد در سراسر لایه آب ایجاد می‌کند، آنچه را که در خود آب اتفاق می‌افتد تغییر داده است، زیرا اکنون بیشتر گرمای صفحه داغ باید از آب عبور کند تا آن اختلاف شدید را حفظ کند. بنابراین تنها کسری کوچک از انرژی دیگر می تواند برای تولید بخار استفاده شود."
افزایش دمای 550 درجه سانتیگراد برای اثر لیدنفراست یخی عملاً مهم است. آب جوش به طور بهینه گرما را از سطح زیرین خارج می کند، به همین دلیل است که شما احساس می کنید گرمای زیادی از یک دیگ آبی که در حال جوشیدن است بالا می رود، اما نه از یک دیگ آب که صرفاً داغ است. این بدان معنی است که مشکل در معلق کردن یخ در واقع چیز خوبی است، زیرا پنجره دمای بزرگتر برای جوشش باعث انتقال حرارت بهتر در مقایسه با استفاده از مایع به تنهایی می شود.
بوریکو می گوید: «به محض شروع شناور کردن،. انتقال حرارت به شدت کاهش می‌یابد، زیرا وقتی مایع معلق می‌شود، دیگر نمی‌جوشد. به جای لمس کردن، روی سطح شناور است، و لمس کردن آن چیزی است که باعث می‌شود گرما را از بین ببرد. بنابراین، برای انتقال گرما، شناورسازی انجام می‌شود. وحشتناک است. جوشیدن باورنکردنی است."
استفاده از یخ برای انتقال حرارت
همانطور که تیم در حال بررسی احتمالات برای کاربرد عملی بررسی می کرد، آنها به کارهای موجود خود توجه کردند. از آنجایی که عدالت پور تحقیقات گسترده ای در زمینه انتقال حرارت داشت، آن موضوع به یک جا منطقی تبدیل شد.
انتقال گرما بیشتر برای خنک کردن چیزهایی مانند سرورهای کامپیوتر یا موتورهای اتومبیل کاربرد دارد. این به ماده یا مکانیزمی نیاز دارد که بتواند انرژی را از یک سطح داغ دور کند و گرما را به سرعت توزیع کند تا ساییدگی و پارگی قطعات فلزی کاهش یابد. در نیروگاه‌های هسته‌ای، استفاده از یخ برای القای خنک‌سازی سریع می‌تواند به یک اقدام اضطراری آسان تبدیل شود، در صورت قطع برق، یا یک عمل معمولی برای سرویس‌دهی قطعات نیروگاه.
همچنین کاربردهای بالقوه ای برای متالورژی نیز وجود دارد. برای تولید آلیاژها، باید گرمای فلزاتی را که در یک بازه زمانی کم شکل گرفته اند، خاموش کرد و فلز را قوی تر و شکننده تر کرد. اگر از یخ استفاده شود، گرما به سرعت از طریق سه فاز آب تخلیه می شود و به سرعت فلز را خنک می کند.
Boreyko همچنین پتانسیلی برای کاربرد در اطفای حریق پیش بینی می کند.
او گفت: "شما می توانید تصور کنید که یک شلنگ مخصوص ساخته شده است که تراشه های یخ را بر خلاف یک جت آب می پاشد، این یک داستان علمی تخیلی نیست. من از یک شرکت هوافضا بازدید کردم که یک تونل یخ دارد و آنها قبلاً این فناوری را دارند که در آن یک نازل ذرات یخ را برخلاف قطرات آب به بیرون می‌پاشد."
با امکانات بی شمار، بوریکو و عدالت پور از سهم جدیدی که به دنیای علم آمده است هیجان زده هستند. با نگاهی به گذشته در پنج سال گذشته، آنها هنوز هم این پیشرفت هیجان انگیز را مدیون جرقه مشترک کنجکاوی و انگیزه خلاقیت در تحقیقات خود می دانند.
های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید