在太空中燒開水難道不是為了喝?

2020-12-06 語宙

人從未比在太空行走時顯得更為渺小，或更為偉大

語宙

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沸騰的太空

看過航天員王亞平在「天宮一號」空間實驗室授課的親們都知道，在太空中航天員無法用敞口水杯喝水。微重力環境下的水會漂浮在空中，如果不及時用吸水紙吸掉飄進電子設備裡，有可能會造成電路短路或傳感器失效，進而影響太空飛行器的安全。所以航天員喝水用下圖中的水袋，通過吸管吸著喝。

▲我國航天員的飲水袋（來源：CCTV）

作為宇宙第一喝熱水大國（親測在美國管別人要hot water，對方會關切地詢問你是不是生病了）的我們忍不住要問了，如果想喝熱水怎麼辦？燒開水嗎？賣個關子，咱們先討論下燒開水的科學過程。

第一階段：熱對流（Thermal convection）——

最初是熱傳導過程，即容器受熱把熱量傳導給水，但是嚴格意義上講，只有在固體中才有純粹的熱傳導，在液體中會由於溫度梯度造成密度不均勻而形成對流。最初的加熱過程中容器底部的熱量最集中，所以靠近容器底部的水升溫速度要比水面的水升溫速度快，這就形成了溫度梯度：底部的水溫較高，密度變小而上浮，上層的水溫度較低密度大而下沉，從而形成了對流。因此，在燒水的初期，熱對流與熱傳導同時發生。

第二階段：核沸騰/泡核沸騰（Nucleate boiling）——

剛聽到「核沸騰」時，不知道大家怎麼想，我的第一反應是核武器、核電站，離我們的生活太遙遠了！但其實這個現象確確實實地發生在我們每天的燒開水過程中。我來給大家解釋下什麼叫核沸騰。

核沸騰是指發生在固體到液體界面上的一種傳熱形式。當容器與水的溫差增大到一定程度時，由於受熱的容器表面並不是完美光滑的，有很多微小的空穴裡面藏有氣體，氣體受熱逸出，這些逸出的氣體帶來了最初的汽化核。汽化核是液體沸騰的必要條件，沒有汽化核的情況下，即使水被加熱到沸點也不會沸騰，水的溫度會繼續升高，成為過熱液體。當容器底部溫度超過水的沸點4℃以上、並且有汽化核的條件下，液體才能圍繞汽化核劇烈汽化，產生大量汽泡，這就是核沸騰現象。

第三階段：過渡沸騰（Transition boiling）——

過渡沸騰又稱偏離核沸騰，當容器溫度超過水的沸點約30°C~120°C時，發生過渡沸騰。在過渡沸騰過程中，氣泡的形成非常快，蒸汽膜開始在容器底部壁面形成。隨著溫差增大、大量的蒸汽形成，蒸汽膜所覆蓋的面積也在擴大，使水不能連續接觸容器壁面，難以從被加熱容器獲得熱量，傳熱係數開始減小。在蒸汽膜覆蓋的過渡沸騰區中，水有時會重新流回去與容器壁面接觸，再次成為泡核沸騰。因此，實際上它是核沸騰與膜沸騰隨時間和空間互相交替的一種沸騰過程。

▲過渡沸騰示意圖

第四階段：膜沸騰/膜態沸騰（Film boiling）——

模態沸騰是指在加熱壁面上生成一層連續的蒸汽膜覆蓋容器壁面產生蒸汽的現象，該現象可在普通鍋爐的蒸發管、核電廠蒸汽發生器傳熱管、反應堆堆芯冷卻劑通道中見到。日常燒水很難到達膜態沸騰階段。

▲水各個沸騰階段的熱交換過程（來源：Wikipedia）

接下來，看看NASA和ESA在太空中開展的燒開水實驗。2011年2月24日，「發現號」太空梭發射到國際空間站，進行了沸騰現象研究實驗（BXF-NPBX）。核池沸騰實驗（NPBX：Nucleate Pool Boiling Experiment，又稱無浮力沸騰實驗）是新的沸騰實驗裝置（BXF）中的兩個實驗之一。NPBX實驗中使用了一個拋光的鋁晶片，由背面連接的加熱器為其提供熱量，還有5個可以單獨控制的裝配式空腔，實驗將研究在這些空腔中產生的單個和/或多個氣泡，測量提供給每個加熱器組的功率。攝像頭記錄氣泡的動力，對加熱器功率數據和記錄圖像的分析使研究人員能夠確定氣泡動力學和傳熱在微重力下與在地球上的差異。

▲NPBX實驗：在地球重力和太空微重力

環境下的沸騰氣泡(來源：NASA)

2020年6月9日，ESA官網發布了一篇關於微重力沸騰實驗的報導，報導顯示科學家開展了在微重力環境下的沸騰過程中施加電場、在微重力狀態下測試兩相流傳熱等實驗項目，研究相變和氣泡的產生等現象。

回到我們的問題——為什麼要在太空中燒開水？真的不是為了喝。航天員要喝熱水，將水袋放入一個叫做「食品加熱裝置」的設備中，原理類似於咱們的家用電烤箱，叮一下就可以喝啦！因此，這個問題準確地說應該是：為什麼要在太空中進行沸騰實驗？

從Heat Transfer for Water那張圖可以看出，沸騰對傳熱速率有顯著影響，這種傳熱過程有助於快速有效地帶走在傳熱表面的熱量。簡而言之，沸騰現象可以被用於進行設備冷卻！

了解沸騰的動力學對於提高發電廠的能量生產和轉換、以及設計未來的空間應用——如低溫燃料儲存和推進，都是至關重要的。在地球上，沸騰這個過程發生得太快，難以精確觀測和測量。但在微重力環境中，科學家能夠更清楚地觀察到相變和氣泡產生等現象。

沸騰是一種非常有效的方法，可用於冷卻在空間極端環境下使用的工程組件和系統。通過實驗，研究人員能夠更好地設計和操作利用沸騰進行有效散熱的空間系統。加州大學洛杉磯分校的主要研究人員維傑·迪爾說：「通過研究沸騰，用於空間系統的熱交換設備的尺寸和重量有望顯著減小。」而我們都知道，體積和重量的減輕對於空間探索意義重大。

盼望著我國科學家在中國空間站上開展熱力學實驗！

參考文章：

Boiling Bubbles are Cool in Space,

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/npbx.html

Boiling. We research. You benefit.

http://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2020/06/Boiling._We_research._You_benefit

Nucleate boiling,

https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleate_boiling

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