Le professeur associé Jonathan Boreyko et son collègue diplômé Mojtaba Edalatpour ont fait une découverte sur les propriétés de l’eau qui pourrait apporter un complément passionnant à un phénomène établi il y a plus de deux siècles. Cette découverte offre également des possibilités intéressantes pour refroidir des dispositifs et des processus dans des applications industrielles en utilisant uniquement les propriétés de base de l’eau. Leurs travaux ont été publiés aujourd’hui (21 janvier 2022) dans la revue Physical Review Fluids.
L’eau peut exister en trois phases : un solide gelé, un liquide et un gaz. Lorsqu’on applique de la chaleur à un solide gelé, il devient liquide. Lorsqu’elle est appliquée au liquide, celui-ci se transforme en vapeur. Ce principe élémentaire est familier à toute personne qui a observé un verre de thé glacé par une journée chaude, ou qui a fait bouillir une casserole d’eau pour préparer des spaghettis.
Lorsque la source de chaleur est suffisamment chaude, le comportement de l’eau change radicalement. D’après Boreyko, une gouttelette d’eau déposée sur une plaque d’aluminium chauffée à 150 degrés Celsius (302 degrés Fahrenheit) ou plus ne bouillira plus. Au lieu de cela, la vapeur qui se forme lorsque la gouttelette s’approche de la surface sera piégée sous la gouttelette, créant un coussin qui empêche le liquide d’entrer en contact direct avec la surface. La vapeur piégée fait léviter le liquide, qui glisse autour de la surface chauffée comme un palet de hockey sur coussin d’air. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Leidenfrost, du nom du médecin et théologien allemand qui l’a décrit pour la première fois dans une étude de l’Institut national de la santé publique. 1751 publication.
Ce principe scientifique communément admis s’applique à l’eau en tant que liquide, flottant sur un lit de vapeur. L’équipe de Boreyko s’est interrogée : La glace pourrait-elle fonctionner de la même manière ?
“Il existe tellement d’articles sur les liquides en lévitation, que nous voulions poser la question de la glace en lévitation”, a déclaré Boreyko. “Cela a commencé comme un projet de curiosité. Ce qui a motivé nos recherches, c’est la question de savoir si oui ou non il était possible d’avoir un effet Leidenfrost triphasé avec du solide, du liquide et de la vapeur.”
Regardez la vidéo de la lévitation de la glace.
Entrer dans la glace
C’est la curiosité qui a déclenché la première investigation dans le laboratoire de Boreyko il y a environ cinq ans, sous la forme d’un projet de recherche mené par Daniel Cusumano, alors étudiant de premier cycle. Ce qu’il a observé était fascinant. Même lorsque l’aluminium était chauffé à plus de 150 C, la glace ne lévitait pas sur la vapeur comme le fait un liquide. Cusumano a continué à augmenter la température, observant le comportement de la glace à mesure que la chaleur augmentait. Il découvrit que le seuil de lévitation était beaucoup plus élevé : 550 C (1022 F) au lieu de 150 C. Jusqu’à ce seuil, l’eau de fonte sous la glace continuait à bouillir en contact direct avec la surface, au lieu de présenter l’effet Leidenfrost.
Que se passait-il sous la glace pour prolonger l’ébullition ? Le projet a été repris par un étudiant diplômé, Mojtaba Edalatpour, peu de temps après, pour résoudre le mystère. Edalatpour avait travaillé avec Boreyko pour développer de nouvelles méthodes de recherche. transfert de chaleur Il a mis à profit ces connaissances pour aborder ce problème. La réponse s’est avérée être le différentiel de température dans la couche d’eau de fonte sous la glace. La couche d’eau de fonte a deux extrêmes différents : Sa partie inférieure est en ébullition, ce qui fixe la température à environ 100 C, mais sa partie supérieure est collée à la glace restante, ce qui la fixe à environ 0 C. Le modèle d’Edalatpour a révélé que le maintien de ce différentiel de température extrême consomme la majeure partie de la chaleur de la surface, ce qui explique pourquoi la lévitation est plus difficile pour la glace.
Boreyko a élaboré. “Le différentiel de température que la glace crée uniquement à travers la couche d’eau a changé ce qui se passe dans l’eau elle-même, parce que maintenant la plupart de la chaleur de la plaque chauffante doit traverser l’eau pour maintenir ce différentiel extrême. Ainsi, seule une infime partie de l’énergie peut encore être utilisée pour produire de la vapeur.”
La température élevée de 550 degrés Celsius pour l’effet glacial de Leidenfrost est importante sur le plan pratique. L’eau bouillante transporte de manière optimale la chaleur loin du substrat, c’est pourquoi vous sentez une chaleur importante s’élever d’une casserole d’eau qui bout, mais pas d’une casserole d’eau qui est simplement chaude. Cela signifie que la difficulté à faire léviter la glace est en fait une bonne chose, car la plus grande fenêtre de température pour l’ébullition se traduira par un meilleur transfert de chaleur par rapport à l’utilisation d’un liquide seul.
“Il est beaucoup plus difficile de faire léviter la glace que de faire léviter la gouttelette d’eau”, a déclaré Boreyko. “Le transfert de chaleur s’effondre dès que la lévitation commence, car lorsque le liquide lévite, ilne bout plus. Il flotte au-dessus de la surface plutôt que de la toucher, et c’est le contact qui fait bouillir la chaleur. Donc, pour le transfert de chaleur, la lévitation est terrible. L’ébullition est incroyable.”
Utiliser la glace pour le transfert de chaleur
En explorant les possibilités d’application pratique, l’équipe s’est tournée vers ses travaux existants. Edalatpour ayant effectué des recherches approfondies sur le transfert de chaleur, ce sujet s’est imposé logiquement.
Le transfert de chaleur est surtout utilisé pour refroidir des éléments comme les serveurs informatiques ou les moteurs de voiture. Il nécessite une substance ou un mécanisme capable d’éloigner l’énergie d’une surface chaude et de redistribuer rapidement la chaleur pour réduire l’usure des pièces métalliques. Dans les centrales nucléaires, l’application de glace pour induire un refroidissement rapide pourrait devenir une solution facilement déployable. mesure d’urgence en cas de panne de courantou une pratique régulière pour l’entretien des pièces de la centrale.
Il existe également des applications potentielles pour la métallurgie. Pour produire des alliages, il est nécessaire de tremper la chaleur des métaux qui ont été façonnés. dans une fenêtre de temps étroite, rendant le métal plus fort et moins fragile. Si la glace était appliquée, elle permettrait de décharger rapidement la chaleur à travers les trois phases de l’eau, refroidissant ainsi rapidement le métal.
Boreyko prévoit également un potentiel d’applications dans la lutte contre les incendies.
“Vous pourriez imaginer avoir un tuyau spécialement fabriqué qui pulvérise des copeaux de glace par opposition à un jet d’eau”, a-t-il déclaré. “Ce n’est pas de la science-fiction. J’ai visité une entreprise aérospatiale qui possède un tunnel de givrage et ils ont déjà cette technologie où une buse pulvérise des particules de glace par opposition aux gouttelettes d’eau.”
Avec une myriade de possibilités, Boreyko et Edalatpour sont enthousiasmés par la nouvelle contribution apportée au monde scientifique. Avec le recul des cinq dernières années, ils attribuent toujours ce développement passionnant à leur étincelle commune de curiosité et à la volonté d’être créatif dans la recherche.
Référence : 21 janvier 2022, Physical Review Fluids.
DOI: 10.1103/PhysRevFluids.00.004000
