熱鍋上的芭蕾

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，結果卻恰恰與此相反。

會跳舞的水滴

做菜時，不小心把水滴濺到燒得很熱的煎鍋里時，水滴會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才能看到。如果煎鍋是溫熱的，水滴掉在上面會迅速蒸發(fā)，便不會上演如此奇妙、有趣的一瞬。

也許好奇而又善于思考的你在這一刻會感到納悶并且陷入沉思：在一個標準大氣壓下，水的沸點是100℃，溫度越高，水汽化的速度也越快。把一杯水倒進300℃的坩堝中要比倒進150℃的坩堝中汽化得快些，原因是坩堝的溫度高，在單位時間內(nèi)傳遞給水的熱量多。為什么水滴在更熱的煎鍋上比在溫熱的煎鍋上要消失得慢一些呢？按照常規(guī)思維，煎鍋越熱，水滴應該蒸發(fā)得越快才對！

對于上述有趣的現(xiàn)象，科學家們也感到非常奇怪。早在1756年，德國的物理學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)，當水滴掉落在剛從爐火中取下來的赤熱鐵勺里時，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秒的時間就會汽化完畢。因為萊頓弗羅斯特是第一位描述這種現(xiàn)象的科學家，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

由于當時各方面條件的限制，萊頓弗羅斯特還不能對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)在科學家們用高速攝像機拍攝下了水滴“翩翩起舞”時的各種姿態(tài)，最終弄清楚了水滴跳舞的秘密。

當金屬板的溫度很高時，水滴掉落在金屬板上，由于彈性作用它會向上反彈，同時，在接觸高溫表面的一瞬間，水滴表面一薄層會很快被汽化，形成了一個厚度約0.1mm的蒸汽層。這層水蒸汽會把水滴托起來，使水滴不能接觸到金屬板。由于水蒸汽的導熱性能很差，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)存留較長時間。細心的人才會看到水滴在金屬板上不停地旋轉(zhuǎn)、跳動、振蕩。

這種效應也被稱為“萊頓弗羅斯特效應”——液體在潮濕且溫度足夠高的表面會汽化形成氣體層的現(xiàn)象。這個效應保證了溫度比液氮高得多的手掌被一層熱導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”的保護，但依然極其危險，讀者不可模仿）。我們用濕手指掐滅蠟燭，而不被燙傷，也正是依靠這個效應的保護。

但當?shù)诙嗡温湎聲r，由于自然冷卻和第一滴水的冷卻作用，上述效應顯著減弱，水滴會更多地與鍋面接觸，所以汽化得更快了。而如果金屬板的溫度較低時，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而直接與溫熱的金屬板大面積接觸，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。當金屬板的溫度在500℃以上時，由于金屬板會通過熱輻射的方式把熱量傳遞給水滴，水滴能夠存留的時間反而不如溫度低于500℃的時間長。

液滴在金屬板上存留時間最長的溫度，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