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敢于手插钢水、头淋液氮的勇士,却为何对开水无计可施 精选

已有 2328 次阅读 2018-10-25 23:40 |系统分类:科普集锦

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虽然冬天都快到了,但网红液氮冰淇淋却依然如此诱惑。

冒着缕缕白气的冰淇淋看起来既清凉又美味,集解暑、解馋、拍照装逼于一身。


但一则小女孩被冻伤的新闻却把罪名直指于它。


原来用于给原料降温、制造效果的液氮温度低至-195℃。


液氮冰淇淋液氮冰淇淋


极端的低温想必超出人体的承受范围。

毕竟目前记录的人体体温下限是13.7℃。


而当全身浸在0℃的水中,没受过训练的人会马上失去知觉。


大概5分钟之内就会因体内细胞和组织的大规模坏死而结束生命*。

 

*注:数据来源于广东科学中心。

 


虽然冰淇淋中使用的液氮含量不多,在常温下也很容易蒸发。

通常不会造成如此严重的后果。

但意外总是不遂人意,毕竟风险还是一定程度地存在。


而这不免让人想起几年前一度风靡全球的冰桶挑战。



冰桶挑战接力是为了让渐冻人症被更多的人所了解。

而这项趣味十足的挑战也成了勇敢者的游戏。


冰水算什么?不久后就有人玩出了更刺激的花样。

他们把冰水换成了液氮。


从头泼下冒出的袅袅白气让人隔着屏幕也能感受到穿心刺骨的寒意。



但是当人体直面液氮的泼洒下,超乎想象的寒冷席卷全身。

原以为即将目睹一次惊人的作死直播。


屏幕前的观众既揪心又期待着这戏剧性的一幕,但现实却大失所望。


这些勇士却只是冷得跳脚,然后依然毫发无损地在镜头面前谈笑风生。

以至于让人怀疑是事先在液氮中动了手脚,还是运用拍摄手法蒙骗了观众。

 

液氮液氮


冷与热是温度的两个极端,却没有限制人类对于危险的试探。

有人在挑战寒冷的极限,同样也有人把高温当做信仰。


我国许多传统村落都保留有一项叫做“过火”的民俗活动。


比如福建罗源县每年庙会中的“过火”活动就是一个非遗项目。

 

过火仪式过火仪式


在广场中搭建一个600多篓木炭组成的巨大火埕。

燃烧时达到200~300℃的高温有着兴旺与福气的美好寓意。


而仪式的高潮,在于村民抬着轿子赤足通过直径15米的滚烫木炭堆。

高温中没有出现烫伤的危险,反倒承载着新的一年里消灾解厄的希冀。

 


抛开信仰的力量,有人只是单纯把高温挑战当做吸引人的危险演示。


下图中的试验者徒手插入700℃溶化后的铅水中。

随着溅起的水花伸出液面的,是一只依旧光滑的手。


而在这危险的一幕发生之前,试验者除了洗手之外没做任何准备。

但也正是这看似是为了保持洁净的小动作,其实暗藏着玄机。

 


险象环生的处境仿佛具有独特的吸引力。

这也恰恰勾起了人们的猎奇心理。


但是哪有人真的用生命作为赌注完成一次无关痛痒的挑战。


其实他们只是善用科学伎俩玩出了吸睛的小“杂技”。

 

实验前洗手是必不可少的操作实验前洗手是必不可少的操作


在极端的温度中免受伤害的并不是因为拥有什么超能力。

而是莱顿弗罗斯特效应在作祟。


1756年,一位名叫莱顿弗罗斯特的科学家在烹饪时,无意中发现了一个奇怪的现象。


他观察到,烧红的铁勺上滴上水珠后,水珠没有与铁勺直接接触,而是悬浮了起来。

大概30秒后,悬浮的水珠才扁塌下去并蒸发。

 


于是他在发表了一篇关于液体性质的文章,讲述了他的发现。

因此,这个效应也以他的名字来命名。


他认为,当接触到炙热的铁勺时,水珠底部接触面会立即蒸发。

但液体内部蒸发稍微滞后。

此时在液体表面已经形成一层0.1~0.2mm的蒸汽层,包裹着内部没来得及蒸发的液体。

 

莱顿弗罗斯特现象下的液体莱顿弗罗斯特现象下的液体


错失了蒸发先机的内部液体,这时也就被保护了起来。


这薄薄的一层蒸汽层阻止了液态水与热勺的进一步接触。

同时由于蒸汽的导热性比金属差,蒸汽层的隔热能力让液滴比原本的蒸发速度明显地减慢。

 


但是这种现象也不总是能发生。

如果铁勺的温度不够高,水珠也很快完全蒸发,而不能形成悬浮。


于是他推断,要在温度足够高的情况下,才会发生这种现象。


这个临界温度,就称为莱顿弗罗斯特点。

经过粗略的估计,这个点大概在193℃。

 


除了温度有要求之外,时间也是限定的。

蒸汽层只是减缓了蒸发速率,而不是让蒸发停滞。


一位著名的蒸汽锅炉设计师发现,原本在168℃就能立即蒸发的水,由于形成蒸汽层而能在202℃下持续152秒才完全蒸发。


莱顿弗罗斯特点也被认为是悬浮液滴持续时间最长的温度。

 

随着时间的推移,液滴逐渐蒸发完全随着时间的推移,液滴逐渐蒸发完全


这也就解释了为何赤足走过炭火的村民毫发无损。


他们在上炭之前必定是先用水浸泡过双脚。

利用莱顿弗罗斯特效应,水珠形成的蒸汽层减缓了高温炭到足底的热传递。

不仅避免了烫伤,甚至还能愉快地跳上一支蹈火舞。


与火为伴的村民或许还不知道其中原理,但也能够从实践中得到经验。

这也不失为一种智慧。

 

保加利亚民俗,在炭火上跳蹈火舞保加利亚民俗,在炭火上跳蹈火舞


但要是隔壁村来了个不明就里的人,看到此景也跃跃欲试。


而木炭还没烧得足够烫,也就是温度没达到莱顿弗罗斯特点。

本想着火烧到鼎盛都可以行走,此时还有充足的忍耐余地。


于是他贸贸然地脱掉鞋履,冲上木炭表现一番无畏的英雄气概。

那么结局大概是惨不忍睹的。

 


这么说来高温的伤害是可以避免了。

但液氮挑战分明是碰上了低温,莱顿弗罗斯特效应的影子又在哪里呢?


其实反过来想,人体碰上了低温,不就是液体碰上了高温嘛。

 

徒手伸进液氮中徒手伸进液氮中


这时倾泻在人身上的液氮就相当于做饭时倒进热锅里的水。

人体也充当了一回“煮”液氮的小炉灶。


在液氮表面形成的蒸汽层对于人体感官来说,就隔绝了寒冷。

当然,低温中也有一个界定危险与安全的莱顿弗罗斯特点。

 


而莱顿弗罗斯特效应中形成了蒸汽层的液体不仅有隔绝冷和热的用途。

这也成了为完成某些小把戏所利用的物理手段。


有人还利用这种液体特性展示了许多有趣的现象。


把手伸入液氮把手伸入液氮


热锅上的小水珠热锅上的小水珠


形成蒸汽层瞬间形成蒸汽层瞬间


水珠像虫子般蠕动水珠像虫子般蠕动


随着观察的深入,人们发现这些莱顿弗罗斯特效应下的液体还隐藏着许多特性。

在平锅中滴落形成蒸汽层后,一颗颗液珠竟会自动滚动起来,看起来非常有趣。


而在许多动力学家眼中,它的内部仿佛有一个小型的发动机。

到底是哪里来的动力驱动着它们运动?


这个问题在莱顿弗罗斯特现象被提出250多年后才得到解答。

 

做出解答的戴维·奎尔做出解答的戴维·奎尔


法国物理学家戴维·奎尔用高速摄像机检测液滴中的微小运动状态。

在平坦光滑的水平面上,液滴确实开始进行移动。


随着液滴蒸发的继续,它的内部结构变得不那么均衡。

也就是说,一部分蒸发得快,一部分蒸发得慢。


而这些不平衡的力就会推动着液滴像轮子一样自由滚动。

偶尔还会旋转和振荡。

 


再加上悬浮起来的液体本身几乎不受到摩擦力。

因此要运动起来并不需要太大的推力。


通常液滴滚动的方向是随机的。

这似乎并没有什么研究意义。


但如果能够人为地引导这些液滴的流动方向,也许就是推向实际应用的一大突破。

 


果然,研究人员发现这些液滴会从较高温的地方滚向低温处。

这是因为蒸汽层的形成与温度有关。


低温时形成的蒸汽层比较薄,高温反之。

所以导致了温度不同的表面之间的倾斜。

 


在这些研究的基础上,科学家通过实验让水滴完成了“爬楼梯”的高难度动作。


在倾斜12°的锯齿形表面上,水滴像变形虫一样滑动着登上一级级的“阶梯”。


这可不是为了创造趣味视频,博得观众注目。

他们是在探索研究一种新型自走式设备的可能性。

 

在“爬坡”的水滴在“爬坡”的水滴


但其实在生活中并不轻易发生莱顿弗罗斯特效应。

要时间、温度等各种条件同时具备的情况不容易发生。


像普通的烫伤、雪地上冻伤皮肤发生的概率相对更大。

因此不要以为莱顿弗罗斯特效应时刻保护着我们免受高温和冻伤的危险。


*参考资料

J.Walker, “Boiling and the Leidenfrost effect,” in D. Halliday and R. Resnick,Fundamentals of Physics (Wiley, New York, 1988), 3rd ed., pp. E10–1.

东南网:罗源非遗民俗“过火”引海外华人来观摩

RolandPease. Scientists Make the Water Run Uphill[J]. BBC News, 2006.

EngineeringPhysics: Leidenfrost effect.

CharlesQ, Choi. 250-year-old Leidenfrost Effect May Help Design Future Self-propelledDevices[J]. Inside Science. 2018.

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