国际空间站怪现象：高于沸点160度还保持液体状态
编者按：众所周知，液体在被加热到沸点以上时，通常会蒸发变成气体，但是在国际空间站上发生的一幕却违反了这个基本规律。由伦斯勒理工学院和美国航空航天局格伦研究中心组成的研究团队发现，在一个散热管的热端竟然有液体凝结，而此处的温度已经比液体的沸点高了160度。他们将结果发表在了近期的《物理评论快报》上。这不是第一次空间站散热管上冒出奇怪现象，2015年该团队就在空间站发现了类似的违反常理的现象。他们发现，提高了散热管的热输入功率后，管子并没有加速烘干液体，反而上面有少量液体凝结。那时他们还无法解释这一现象。
在新的实验中，研究人员使用了装有戊烷（一种有五个碳原子的烷烃液体）的散热管。他们发现，提高热量输入，会使凝聚的液体增多，即使温度升高到了液体沸点以上160度，还有液体不断凝结。这些温度高于沸点的液体处于“过热”状态，这时散热管的热端充满了过热液体。
散热管在不同热输入功率下的液体分布，随着功率的增大，靠近热端的地方开始形成液滴，叫“中心液滴”，这是Marangoni效应和毛细回流正面交锋的结果
虽然还没有一个完整的理论解释，但是经验告诉他们该现象与Marangoni效应联系甚密。由于散热管一端冷一端热，管子的温度从热到冷有一个整体的梯度分布，加上散热管表面的液体膜厚度不均，还造成了温度在管内呈现三维的梯度分布。
散热管的热端是蒸发区，在毛细回流的作用下，冷液体源源不断流向热端，蒸发吸热后在冷端凝结，从而形成了一个传导热量的封闭式系统。
当然这只是一个理想情况，Marangoni效应的存在阻碍了液体由冷向热的流动，影响了正常的散热回路。
对于一般液体，温度越高其表面张力就越大，温度的梯度分布使表面张力也形成了梯度分布，Marangoni效应便产生了：具有更高表面张力的较冷液体，会去“拉”较热液体，从而使液体沿着散热管由热端向冷端流动，或者由中心向边缘流动。
“我们现在证实，只有一种成份的纯液体没法消除这个不利现象，加入另一种成份后问题就迎刃而解了”，Plawsky说，“我们会在下一次实验中使用混合液体，不同成份对热的感应度不同，于是产生了浓度梯度，浓度差梯度会抵消由温度梯度造成的Marangoni力。不过，加入新的液体就等于是加入了新的自由度，也许还会有其它新的问题。”
高温下热端形成Marangoni回流，与冷液体相遇形成“中心液滴”
研究人员解释道，在微重力环境下比在地球上更容易观察到这种凝聚，因为强大的重力场会极大地抑制Marangoni现象，从而阻止液体从冷端到热端的流动。不过科学家指出，冷凝现象其实也可以发生在地球上，只是只能在一个很小的尺度，容易与表面污染相混淆。
来自伦斯勒理工学院的共同作者 Joel Plawsky说：“这项研究有两个有趣的方面。第一个是封闭系统下液体的自发行为。在一个开放的系统中只有蒸发或者冷凝发生，我们2015年的实验和这次的观察都不是在一个开放系统中进行的。在我们的系统中，冷凝液体与蒸发液体彼此恒定地连通，出现不寻常的行为也就不足为奇了。”
“第二个有趣的方面是界面力尤其是分子间力的重要性。它们虽然只在分子尺度上起作用，却在宏观上影响着液体的流动。在这个实验中，分子间作用力在局部促进了液体的冷凝，从而产生了可以观察到的厚度变化。就像这个封闭的散热管系统一样，只有在不同尺度下的作用力之间可以相互影响时，这个现象才会发生。”
除了本身的科学趣味，这个结果也帮助科学家找到散热管的局限，从而为空间站设计更好的散热管。与此同时，研究人员计划对微重力环境下液体的行为进行更多的研究实验。他说：“高速摄像机的使用可以帮助研究者探究这种不稳定性的确切来源，以及不稳定性的频率和振幅随温度的改变。”
“有人曾经讨论过在空间站上使用不同几何形状的散热管”，他说，“比如毛细泵回路，三角截面管，或者多脚振荡散热管等，并观察会不会有意外现象发生。未来的实验会使用透明管子，尽管散热能力不及金属管，但是它可以让我们看到管子内部的液体，从而更好地理解里面在发生什么样的流体力学。”
（本文来源：DeepTech深科技）
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