魏知

在通常情況下，液體的溫度越高，汽化速度越快。然而，在特殊的情況下，結(jié)果卻恰恰與此相反。

會(huì)跳舞的水滴

做菜時(shí)，不小心把水滴濺到燒得很熱的煎鍋里時(shí)，水滴會(huì)像芭蕾舞演員一樣翩翩起舞，一面旋轉(zhuǎn)，一面不停地跳躍著。這種有趣的現(xiàn)象只有在煎鍋燒得很熱時(shí)才能看到。如果煎鍋是溫?zé)岬?，水滴掉在上面?huì)迅速蒸發(fā)，便不會(huì)上演如此奇妙、有趣的一瞬。

也許好奇而又善于思考的你在這一刻會(huì)感到納悶并且陷入沉思：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)是100℃，溫度越高，水汽化的速度也越快。把一杯水倒進(jìn)300℃的坩堝中要比倒進(jìn)150℃的坩堝中汽化得快些，原因是坩堝的溫度高，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞給水的熱量多。為什么水滴在更熱的煎鍋上比在溫?zé)岬募邋伾弦У寐恍┠兀堪凑粘Ｒ?guī)思維，煎鍋越熱，水滴應(yīng)該蒸發(fā)得越快才對(duì)！

對(duì)于上述有趣的現(xiàn)象，科學(xué)家們也感到非常奇怪。早在1756年，德國的物理學(xué)家萊頓弗羅斯特就注意到了水滴掉落在燒得通紅的鐵勺上的情形。萊頓弗羅斯特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴掉落在剛從爐火中取下來的赤熱鐵勺里時(shí)，第一滴水滴竟然懸浮起來并持續(xù)了30秒，而大小相同的第二滴水只能存留大約10秒的時(shí)間就汽化完畢，此后掉落入勺子中的同樣大小的水滴只能存留1～2秒的時(shí)間就會(huì)汽化完畢。因?yàn)槿R頓弗羅斯特是第一位描述這種現(xiàn)象的科學(xué)家，后來人們就把這種現(xiàn)象叫作“萊頓弗羅斯特現(xiàn)象”。

謎底逐漸揭開

由于當(dāng)時(shí)各方面條件的限制，萊頓弗羅斯特還不能對(duì)這種奇特而又非常有趣的現(xiàn)象做出完全合理的解釋。不過，現(xiàn)在科學(xué)家們用高速攝像機(jī)拍攝下了水滴“翩翩起舞”時(shí)的各種姿態(tài)，最終弄清楚了水滴跳舞的秘密。

當(dāng)金屬板的溫度很高時(shí)，水滴掉落在金屬板上，由于彈性作用它會(huì)向上反彈，同時(shí)，在接觸高溫表面的一瞬間，水滴表面一薄層會(huì)很快被汽化，形成了一個(gè)厚度約0.1mm的蒸汽層。這層水蒸汽會(huì)把水滴托起來，使水滴不能接觸到金屬板。由于水蒸汽的導(dǎo)熱性能很差，因此它阻礙了金屬板與水滴之間的熱傳遞，使得水滴不能吸收大量的熱而迅速地汽化，所以水滴就能夠在金屬板上持續(xù)存留較長(zhǎng)時(shí)間。細(xì)心的人才會(huì)看到水滴在金屬板上不停地旋轉(zhuǎn)、跳動(dòng)、振蕩。

這種效應(yīng)也被稱為“萊頓弗羅斯特效應(yīng)”——液體在潮濕且溫度足夠高的表面會(huì)汽化形成氣體層的現(xiàn)象。這個(gè)效應(yīng)保證了溫度比液氮高得多的手掌被一層熱導(dǎo)率低的氣體隔絕而不被凍傷。其原理和水滴能在熱煎鍋上跳舞是一樣的。對(duì)于液氮來說，人的手就好比是熾熱的煎鍋，其表面的溫度比液氮的沸點(diǎn)高出100多攝氏度。于是在與肌膚接觸的瞬間，液氮快速蒸發(fā)形成一層氣態(tài)氮隔在皮膚與液氮之間，從而使手保持瞬間的安全與溫暖（裸手伸入液氮或接觸液氮盡管有“萊頓弗羅斯特效應(yīng)”的保護(hù)，但依然極其危險(xiǎn)，讀者不可模仿）。我們用濕手指掐滅蠟燭，而不被燙傷，也正是依靠這個(gè)效應(yīng)的保護(hù)。

但當(dāng)?shù)诙嗡温湎聲r(shí)，由于自然冷卻和第一滴水的冷卻作用，上述效應(yīng)顯著減弱，水滴會(huì)更多地與鍋面接觸，所以汽化得更快了。而如果金屬板的溫度較低時(shí)，掉落的水滴因汽化形成的蒸汽層較薄，得不到蒸汽層的有效保護(hù)而直接與溫?zé)岬慕饘侔宕竺娣e接觸，可以快速地從金屬板上吸收熱量并迅速被汽化，所以會(huì)蒸發(fā)得很快。

值得注意的是，并不是金屬板的溫度越高，掉落在上面的水滴汽化得就越慢。當(dāng)金屬板的溫度在500℃以上時(shí)，由于金屬板會(huì)通過熱輻射的方式把熱量傳遞給水滴，水滴能夠存留的時(shí)間反而不如溫度低于500℃的時(shí)間長(zhǎng)。

液滴在金屬板上存留時(shí)間最長(zhǎng)的溫度，被稱為“萊頓弗羅斯特溫度”。比如水的萊頓弗羅斯特溫度為300℃，白醋的萊頓弗羅斯特溫度為230℃。endprint