想要把水烧开，要用热源对水加热，可是热源如果热过头了，水反而不会再吸收热量了。这被称为“莱顿弗罗斯特效应”，由于这个效应，在需要对高温物体快速降温时，水反而不是一种很好的传热介质。而最近的一项研究提供了替代方案：不要用水，而要用冰传热。
高温反而不沸腾？
众所周知，水存在固态、液态、气态三相。在 1 标准大气压下，把固态的冰加热到 0℃，它会融化成液态的水；继续把水加热到 100℃，它会沸腾汽化成气态的水蒸气。这是生活常识，也是人们对“相变”这种物理现象最直观的认知。
然而这个常识并非在任何情况下都奏效。比如，如果将水滴到 150℃的铝板上会发生什么？人们大概会觉得，热源的温度已经高于水的沸点了，水滴接触铝板后应当迅速汽化。然而如果你做一做实验，比如炒菜时，先把平底锅加热，再倒上水，你会发现水滴会悬浮在锅底上滑来滑去，维持一段时间的液态而不是迅速蒸发成水蒸气。这种现象人们很早就发现了，德国医生和神学家约翰・莱顿弗罗斯特（Johann Leidenfrost）在 1751 年最早描述了这种现象，因此它也被命名为“莱顿弗罗斯特效应”。
水在接触温度高于水沸点的热源后，反而不会沸腾，而是保持液态，这是为什么呢？原因其实很简单，水滴和高温热源的接触面上会蒸发出一个隔热的水蒸气层，它隔开了顶部的水和热源继续接触，从而阻断了整个水滴的沸腾过程。莱顿弗罗斯特效应带来了一些麻烦，如果你想让水尽快沸腾得到水蒸气的话，这个效应阻碍了热源向水传热的过程。早在蒸汽时代，许多锅炉设计师就发现，温度高的锅炉产生蒸汽的效率反而更低。另外，液态水经常被用作一种导热介质，而莱顿弗罗斯特效应的存在，使得在对一些高温物体降温的操作中，液态水并没有那么高效。
而今年一月发表在《物理评论・流体》的一篇论文中，研究人员发现了一件好玩的事情：如果想要把热量从热源上迅速地转移，你不应该往热源上加水，而应该加冰。
冰无法悬浮
一开始，来自美国弗吉尼亚理工大学的研究人员好奇的问题是，莱顿弗罗斯特效应在冰接触高温热源时会不会也能发生，从而造成水蒸气、水、冰共存在热源上的现象。大约在五年前，本科生丹尼尔・库苏马诺（Daniel Cusumano）在实验中观察到，即使把铝板加热到 150℃以上，与之接触的冰也不会像水一样悬浮起来。库苏马诺继续提高铝板温度，他发现，让冰悬浮起来的临界温度要高得多：大约 550℃。没有到达这个临界温度时，冰接触热源，下层会融化成融水层，但融水层在接触热源时会保持液态，而不会汽化出一个蒸汽隔热层。这意味着融水层可以源源不断地从热源吸热。
冰层下面发生了什么，让接触高温热源的液态水依然保持液态？不久之后，研究生穆杰塔巴伊（Mojtaba Edalatpour）重新启动了这项研究。他和副教授乔纳森・博瑞科（Jonathan Boreyko）合作建立了数值模型，以模拟冰在高温热源上的热传导过程。他们发现，问题的关键在冰下面融水层的温差上：融水层接触热源的一面温度固定在 100℃，而接触上层冰面的一面温度固定在 0℃。融水层从热源吸收的绝大部分热量都用来维持这个温差了，只有一小部分能量可以用来产生蒸汽，导致融水层和热源的接触面上并不会形成隔热蒸汽层。
以 0.2 倍慢放的冰接触高温热源的变化过程。冰接触热源时，下部的融水层保持液态持续吸热，全部融化后，出现莱顿弗罗斯特效应，水悬浮了起来。（视频来源：Mojtaba Edalatpour）
博瑞科解释说，冰难以产生莱顿弗罗斯特效应其实是一件好事，这种情况下传热效率更高。“一旦水在热源表面悬浮，传热过程就会受阻。所以，对于热传递来说，莱顿弗罗斯特效应是很糟糕的。”
高效传热
传递热量的需求在生活中如此常见 —— 例如，我们需要冷却计算机服务器和汽车的引擎，因此需要找到一种物质或机制，可以将能量从热表面移走，迅速重新分配热量，以减少零件的热损耗。而水又是经常用到的传热介质，所以避免莱顿弗罗斯特效应是很有必要的。
由于博瑞科团队的这个发现，我们可以期待在一些实践中用冰代替水来传热。比如在核电站，当发生电力故障时，用冰导热快速冷却或许可以成为一种应急措施。在冶金方面也有潜在的应用。为了生产合金，必须在较短时间内对成形的金属进行淬火，使其温度迅速降低，这样得到的合金才能拥有更高的强度。如果在淬火过程中使用冰而不是水，由于避开了莱顿弗罗斯特效应，热量得以迅速释放，从而能更迅速地冷却金属。
博瑞科还预见了这种热传导方法在消防上的应用潜力。他说:“你可以想象一下，用一根特制的软管来喷洒冰屑，而不是喷水，这样可以更高效地扑灭明火。这不是小说剧情，我参观过一家拥有冰管道的航空公司，他们已经有了这种技术，用喷嘴喷射出冰粒而不是水滴来灭火。”
或许对于普通人来说，如果想体验一下冰不发生莱顿弗罗斯特效应带来的好处，下次在炒菜前需要加水时，可以换做加冰试一试。
参考来源：
https://vtx.vt.edu/articles/2022/01/eng-boreyko-boiling-ice-012022.html
论文链接：
https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.7.014004
本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），撰文：白德凡，审校：二七
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