空中古怪的沸騰

液體沸騰是地球上司空見(jiàn)慣的現象，但它卻是一個(gè)十分復雜的物理過(guò)程。當裝有液體的容器被加熱后，由于重力的影響，液體中比較熱的部分上升，而比較冷的部分則下降──這就是"對流"。浮力使氣泡急速上升，因此產(chǎn)生劇烈的"沸騰"。那么太空中的沸騰又是怎樣的呢?

實(shí)際上，物理學(xué)家一直被地球上沸騰液體的復雜行為所困惑。而弄清沸騰的機理對工程技術(shù)人員是很重要的，這不僅僅關(guān)系到咖啡壺，更關(guān)系到宇宙飛船中的動(dòng)力和空調系統的設計。

一個(gè)由密歇根大學(xué)和美國國家航空航天局的研究人員組成的科學(xué)家小組決定弄清這些問(wèn)題。從1992到l996年，在航天飛機所進(jìn)行的5次飛行使命中，他們使用液體氟里昂進(jìn)行了一系列的沸騰實(shí)驗。在實(shí)驗中，他們發(fā)現了液體在地球與太空軌道上沸騰時(shí)所發(fā)生的一些令人迷惑的不同之處。例如在太空中，液體在無(wú)重力條件下沸騰時(shí)不是產(chǎn)生成了上萬(wàn)的升騰的小氣泡，而是產(chǎn)生一個(gè)在液體中起伏的巨大的氣泡，且不斷奪下其他的小氣泡。多虧了美國航空航天局對這一過(guò)程的錄像，現在我們在地球上就可以觀(guān)察到液體這種令人迷惑的古怪的沸騰行為了。

弗朗西斯·基亞拉蒙特博士說(shuō)："想想看，在這些實(shí)驗以前，世界上有誰(shuí)看到過(guò)太空中的沸騰呢?這真是人可思議!"基亞拉蒙特是美國航空航天局負責液體沸騰實(shí)驗的科學(xué)家，他說(shuō)這一系列太空沸騰實(shí)驗已被研究人員視為"經(jīng)典"了。

這些錄像的確十分有趣，但是科學(xué)家研究沸騰問(wèn)題的熱情絕不僅僅是出于簡(jiǎn)單的好奇。因為一旦了解了液體在太空中是怎樣沸騰的，科學(xué)家就可以制造出更有效的太空艙制冷系統，例如國際太空站上使用的就是利用氨在液態(tài)和氣態(tài)間轉化的空調系統。太空中的沸騰知識也將在某一天被用來(lái)制造太空站上的發(fā)電站，它用太陽(yáng)光使液體沸騰產(chǎn)生蒸氣，然后通過(guò)推動(dòng)渦輪機產(chǎn)生電力這樣的研究同樣也將在地球上得到應用。因為失重環(huán)境給科學(xué)家打開(kāi)了一個(gè)觀(guān)察沸騰現象的嶄新窗口，他們可以借此更好地理解沸騰這個(gè)基本的物理現象。

"沸騰現象是如此復雜，以至于我們對它的大部分理解是基于經(jīng)驗，而不是建立在基本的物理方程之上的。"基亞拉蒙特說(shuō)，"可是，在失重的太空軌道中，沸騰遠比在地球上簡(jiǎn)單。失重環(huán)境使對流和浮力的影響消失，這個(gè)差異可以解釋為什么地球上的沸騰液體的行為與太空中如此不同。它為想解決棘手物理問(wèn)題的科學(xué)家提供了有力的工具。比如說(shuō)，如果你試圖研究地球這樣一個(gè)復雜的生態(tài)系統，你就需要先研究一個(gè)變量少一些的比地球簡(jiǎn)單的對象。對我們來(lái)說(shuō)，太空就可以將研究的問(wèn)題簡(jiǎn)化。"

當液體在太空中被加熱時(shí)，由于沒(méi)有重力的作用，液體中比較熱的部分不再上升，而是緊靠著(zhù)加熱器的表面停留并被繼續變熱，而遠離加熱器的區域則相對較冷。因為只有一小部分液體被加熱，因此它會(huì )更快地沸騰。但是，由蒸氣形成的氣泡不會(huì )沖出液面，而是結合成一個(gè)在液體內部晃動(dòng)的巨大的氣泡。雖然這些現象用現有的理論就可以預測，但要想真正了解整個(gè)過(guò)程的細節，并尋找末預測到的現象，則需要進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗。

實(shí)驗的負責人赫爾曼·默特被人們視為微重力沸騰實(shí)驗之父，正是他發(fā)明了記錄在錄像帶上的實(shí)驗。他說(shuō)："我們對許多問(wèn)題還沒(méi)有很好地理解。"默特和其他科學(xué)家曾利用"下降塔"進(jìn)行無(wú)重力沸騰的早期研究，即通過(guò)讓高塔上的樣品自由下落來(lái)實(shí)現幾秒鐘的零重力條件。這些早期實(shí)驗為設計在航天飛機中進(jìn)行的實(shí)驗提供了指南，但這匆忙的一瞥實(shí)在不能與在航天飛機上長(cháng)達幾分鐘的觀(guān)察相比。

這些早期研究的一項重要成果就是制造實(shí)驗用的沸騰室的方法，它使科學(xué)家可以看清加熱器的表面以及在那里與加熱器接觸的液體。默特解釋說(shuō)："這種相互作用就發(fā)生在加熱器的固體與液體的接觸面上，因為液體表面折射的影響，從下面是無(wú)法看清楚的。"所以默特用石英制作了一個(gè)底面平滑、堅硬透明的沸騰室，然后又給石英覆蓋上一層厚度不到400埃的極薄的金層。這樣它既能夠讓可見(jiàn)光自由穿過(guò)，又能像一大塊金子一樣導電。

默特與合作者使用這種裝置得到了一些非常有趣的發(fā)現。例如，隨著(zhù)實(shí)驗溫度的不同，那個(gè)巨大的氣泡有時(shí)漂浮在液體的中心，有時(shí)則附著(zhù)在與加熱器相鄰的表面。當出現后一種情況時(shí)，氣泡將有效地將液體與加熱器隔離起來(lái)，使液體不再進(jìn)一步沸騰并導致加熱器的溫度急速升高。而確切地了解發(fā)生這種情形的條件，對設計太空艙系統中依靠沸騰工作的裝置是至關(guān)重要的。默特說(shuō)："如果比較好地理解了這個(gè)現象，我們就能做出最佳的設計。假如還有一些不確定的因素，那就應該繼續設計出更好的實(shí)驗去弄清楚它。"

今天，科學(xué)家們還在繼續進(jìn)行這項基礎實(shí)驗以了解更多的知識。隨著(zhù)科學(xué)家對液體沸騰現象史深入的了解，工程師將會(huì )對制冷和動(dòng)力系統的設計進(jìn)行改進(jìn)以便更好地服務(wù)于人類(lèi)，這不只包括在太空中工作的人，而且也包括生活在地球上的人。

迥然不同的沸騰：這一系列圖片對地球上和太空中液體的沸騰過(guò)程做了比較。由于不存在浮力和對流的作用太空中沸騰的液體所表現出的行為與地球上迥然不同。

地球上無(wú)法獲得的知識：國際太空站使用了一種利用氨在液體和氣體間循環(huán)的兩相制冷系統.在這個(gè)過(guò)程中包含了沸騰現象。工程師在設計這個(gè)制冷系統時(shí)利用了從微重力沸騰實(shí)驗中得到的知識。

太空中古怪的沸騰：由于太空中沒(méi)有浮力的作用，沸騰產(chǎn)生的蒸氣在停止加熱后產(chǎn)生一個(gè)氣泡浮在液體中。由于表面張力的作用，使許多小氣泡結合成一個(gè)大的球形氣泡�！犊茖W(xué)世界》

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