肥皂水的气泡有某种东西可以让它以一种奇特而美丽的方式结冰。看起来很神奇的反应是网络轰动多年来,弗吉尼亚理工大学的物理学家认为他们终于有了一个解释。
当正常的水滴结冰时,它从最冷点开始,在液体表面的其余部分上线性移动,形成所谓的“冰冻锋”。肥皂泡不存在这样的模式。
事实上,病毒式传播一个又一个视频显示这些虹彩球体正在做完全不同的事情。
在寒冷的温度下,这些肥皂球会产生一团羽毛状晶体的漩涡,慢慢地变成一个漩涡,就好像整个物体是一个摇晃的雪球。
研究凝结和霜现象的乔纳森·博雷科(Jonathan Boreyko)表示:“我们已经看到了自然界中气泡独特的冻结动力学,但我们从未了解其背后的物理原理。”告诉纽约时报。
零下25还有什么办法呢,再去冰冻气泡吧。#萨斯克 #exploresask #泡泡 #冰冻 #寒冷 pic.twitter.com/Np1ACFvyb6
— 克雷格·博姆 (@Skstormchaser)2017 年 12 月 28 日
受到 YouTube 上一段视频的启发,Boreyko 和他的同事决定进行调查。第一步是将肥皂泡放在步入式冰箱内冰冷的表面上。然后,研究小组使用高速摄像机观察热传递的开始。
在第一个实验中,当周围环境与气泡温度相同时,一切开始相对正常。几乎在接触后,气泡立即从底部开始冻结,就像在经典的自下而上的冻结前沿中一样。然而,在几秒钟之内,这种自然流动就变得不稳定,变成了微小的冰晶“羽流”,并被向上流动的流体携带着。
“数百个夹带的冰晶以戏剧性的方式围绕气泡旋转,我们称之为‘雪球效应’,”作者写。
“几秒钟后,随着冰晶尺寸变大,羽流消散并消失。最后,气泡在(10秒)内完全冻结,不仅来自自下而上的冻结前沿,而且尤其来自漂浮的冻结前沿。”冰晶生长并相互连接在一起。”
根据物理学家的说法,这一解释与一个称为“a”的概念有关。马兰戈尼流,这本质上意味着流体喜欢从表面张力较低的热区域流向表面张力较高的冷区域。
那么,您可能想知道,为什么晶体会从肥皂泡的冰冻底部流到据称较温暖的顶部?
好吧,尽管听起来很疯狂,但当水结冰时,物体实际上会升温。这是因为液态水含有更多的能量比冻结的水,这意味着当水结冰时,它会放弃一些“潜在”能量,如下图所示。
(艾哈迈迪等人,《自然通讯》,2019)
这些暖流将这些旋转的冰晶分离并携带到肥皂球周围,形成多个新的冰冻前沿,这些冰冻前沿发出长长的、手指状的探针与其他探针连接。
起初,这些微小的晶体太小,肉眼无法看到,但在马兰戈尼冻结一秒钟左右后,数百个微小的冰粒悬浮在薄膜内并生长,短暂加热周围的液体。
“此时,温度和表面张力的梯度发生在无数的位置和方向,这与从自下而上的冻结前沿延伸的完全面外梯度的原始情况相反,”作者解释。
“因此,‘雪球效应’消灭了最初创造它的马兰戈尼流。”
(艾哈迈迪等人,《自然通讯》,2019)
然而,情况并非总是如此,并且取决于周围的温度。例如,当这些肥皂泡被放置在普通房间的冰冷基底上时,就不会产生这样的雪球。
仅仅几毫秒后,冰冻锋再次开始,从下往上形成。但这一次,这种现象只持续了很短的时间。大约十秒钟后,冰冻锋停了下来,气泡展出的一种“部分冻结平衡,气泡顶部保持液态”的状态。
几分钟后,上面的液体开始排入下面的冰中,导致顶部由于薄膜破裂而突然收缩并塌陷。与正常的水滴甚至冰箱中的肥皂泡不同,它们都很快就会结冰,而在这种情况下,崩塌大约需要 10 分钟。
作者认为,由于传导不良,未冻结的区域仍未被冰接触,这可能是由于房间以及气泡顶部的温度高于肥皂溶液的熔化温度。下图总结了形成液冰屏障的两种相反的力。
(艾哈迈迪等人,《自然通讯》,2019)
“当气泡顶部温度高于熔化温度,而基底温度低于熔化温度时,就会出现部分冻结的气泡,”作者得出结论。
“当气泡的表面温度和顶部温度都低于冰点时,就会观察到完全冻结的气泡。”
1949 年,早在 YouTube 出现之前,化学家兼气象学家 Vincent Schaefer 在华盛顿山观察到了第一个冰冻气泡。七十年后,我们终于得到了他一直在寻找的答案。
该研究发表于自然通讯。