太空中煮熱水會出現完全相反的物理現象,科學家們都迷惑了

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微重力另一個怪異的副作用。

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在地球上,當煮水時,它會蒸發並且變成蒸汽,然後直到夠冷時再次凝結。但在國際太空站(International Space Station,ISS)的太空人,展示完全不同的事情在微重力環境中徹底發生。

他們發現蒸汽凝結成液體,即使溫度比這個物質的正常沸點高出凱氏160度,這是一個迷惑科學家的新現象。

以前的研究顯示微重力對沸騰的液體具有奇怪的影響。在地球上,稱為對流(convection)的過程在熱分佈(heat distribution)扮演相當重要的角色。重力會導致液體的較冷部分下沉,而較熱的部分上升,而且會使熱量在液體內部四處擴散。

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但是在微重力(microgravity)環境中,例如在國際太空站上,不會發生。

為了解決這個問題,國際太空站有一種稱為熱管(heat pipe)的裝置,裝置的部分真空會把熱量從熱的地方傳到較冷的地方,而不需要用到機械幫浦。

它們是透過含有少量從熱表面蒸發的液體來運作,然後在與較冷的表面接觸時,凝結回液體,從而重新分配熱量。

透過毛細管作用(capillary action),液體然後回到熱表面,無限期地重複這個過程。

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除了來自紐約倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)研究人員和美國太空總署格倫研究中心(Glenn Research Centre)的這項新研究顯示,在國際太空站實際上可能不會發生。

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事實上,蒸氣正在做與你所預期的相反,它繼續凝結在熱端;這是工程系統未來的一個問題。

這些研究人員在物理評論通訊期刊(Physical Review Letters)中寫道:「傳統熱管分為三個區域:加熱端蒸發、冷卻端凝結、以及中間或隔熱。」

「這裡的微重力實驗報告顯示,情況可能會是更加複雜。」

新的研究室是以之前2015年的觀察為基礎。當時研究人員注意到增加熱管的熱量輸入並不會造成設備如預期般的乾枯,而是相反的導致液體累積在那裡。

為了弄清楚是怎麼一回事,研究人員在熱管中使用戊烷(pentane)在國際太空站進行一項新實驗。他們發現,當它們增加表面的輸入熱量時,凝結量會增加,與預期的相反。

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這種現象繼續發生,即使比戊烷正常沸點溫度高出凱氏160度。在這個溫度以上,繼續實驗是不安全的。

這些研究人員解釋:「表面越熱,蒸氣凝結就越多。」

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高於沸點的液體通常被稱為是處於’過熱(superheat)’狀態,而研究人員把管子的熱端形容為這項實驗「充斥著過熱液體。」

目前,這些研究人員不完全確定為什麼會這樣,但他們的理論解釋是,這與一種名為馬蘭戈尼效應(Marangoni effect)有關。

這個現象的發生是因為熱管內的毛細管結構,以及它所導致的較冷液體具有較高的表面張力,把較熱的液體拉向它。

基本上,這項假設是因為沿著熱管的表面張力不均勻,造成在它表面上的溫度梯度多樣化。

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Lisa Zyga在科技新聞網站Phys.org解釋:「最終,這個效果產生了馬蘭戈尼驅使的流動,一個從加熱端到冷卻端,而另一個從管子的中央到邊緣。」

「這些流動甚至發生在管子的熱’蒸發區域(evaporation zone)’,而且在液體層中產生不穩定性,進而加強了凝結。」

有趣的是,這種現象也確實在地球上發生,但是在更小的規模,因為重力限制了液體從熱管的冷卻端返回到加熱端。

這個團隊現在需要繼續研究發生的原因,並在微重力中測試馬蘭戈尼假說。

研究人員之一的Joel Plawsky告訴Zyga:「我們和其他一些研究人員展示出,在系統中添加第二個化學成分,可以抵消在純液體運作過程中觀察到的一些有害特徵。」

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「我們將要嘗試流體混合物實驗,類似於我們已經做過的實驗。」

這不僅僅是有趣的物理學,了解如何運作,可能是未來建造更安全的太空船冷卻系統的關鍵,而我們絕對需要它們

這項研究發表在物理評論期刊(Physical Review Letters)上。

「語音合成由賽微科技提供」

來源:ScienceAlert