В. К. Верхоломов
Аннотация
Впервые в науке сформулированы необходимые и достаточные условия для получения сверхтекучести обычных жидкостей при нормальных атмосферных условиях. Показано, что на текстурированных супергидрофобных покрытиях сверхтекучесть жидкостей невозможна.
// Science and World. 2020. № 10, p. 22-24
Введение
До настоящего времени под сверхтекучестью понимается способность вещества в особом состоянии (состояние квантовой жидкости), возникающем при температурах, близких к абсолютному нулю, протекать через узкие щели и капилляры без трения на стенках [4]. Как известно, это явление впервые было открыто в 1938 г. П. Л. Капицей и Дж. Алленом. Поскольку обладающий сверхтекучестью гелий II (He II) появляется при температурах ниже λ-точки (Т = 2,172 ºK), в настоящее время считается, что явление сверхтекучести возникает только вблизи абсолютного нуля температуры. При температурах T > 2,172 ºK гелий существует только в виде нормальной однородной жидкости гелия I (He I), которая обладает обычными свойствами, присущими жидкостям, в частности вязкостью. Течение He I в каналах сопровождается возникновением сил трения на стенках, а, следовательно, потерями кинетической энергии его струи. Но при температурах ниже Т = 2,172 ºK гелий I переходит в гелий II (He II).
В связи с тем, что сверхтекучесть имеет большое научное значение, в работе [1] была предпринята попытка более углубленного анализа результатов экспериментов, полученных П. Л. Капицей по сверхтекучести He II. Из анализа известного эксперимента с колбочкой [4] был сделан важный вывод о том, что на поверхности раздела между квантовой жидкостью He II и нормальной жидкостью He I также возникает явление сверхтекучести, т.е. течение без потерь кинетической энергии струи на преодоление сил трения в условиях отсутствия пограничного слоя. В отличие от объемной сверхтекучести квантовой жидкости He II мы столкнулись со случаем возникновения сверхтекучести на границе раздела фаз He I и He II. Следовательно, в данном случае можно говорить о локальной или пограничной сверхтекучести нормальной жидкости He I.
Таким образом, на основании проведенного анализа экспериментальных результатов П. Л. Капицы по сверхтекучести гелия II открыт новый вид сверхтекучести – пограничной сверхтекучести на межфазной границе гелий I (нормальная жидкость) / гелий II (квантовая жидкость). Очень заманчивой и перспективной проблемой является исследование условий, возможностей получения характеристик сверхтекучести при использовании обычных жидкостей (например, воды), при нормальных атмосферных условиях. В случае положительного решения этой проблемы, открывающиеся перспективы практического использования сверхтекучести трудно переоценить.
Целями настоящей работы был поиск условий для получения сверхтекучести обычных жидкостей при нормальных атмосферных условиях. Настоящая работа является логическим продолжением предыдущей работы [1].
Условия для сверхтекучести обычных жидкостей
Как известно, при течении обычной жидкости, например, воды вдоль лиофильной поверхности возникает пограничный слой. При ламинарном течении возникает ламинарный пограничный слой, при турбулентном – турбулентный слой с ламинарным подслоем у твердой поверхности. Возникновение пограничного слоя свидетельствует о том, что на границе раздела фаз возникли силы взаимодействия. В качестве таких сил взаимодействия, как показано в работе [2], выступают силы адгезии между частицами твердой поверхности и молекулами воды. Благодаря силам адгезии, слой молекул жидкости, прилежащий к стенке, прилипает, и его скорость течения становится равной нулю. Силы когезии, действующие между молекулами внутри жидкости, оказывают тормозящее влияние на течение других слоев молекул жидкости, что приводит к возникновению пограничного слоя и плавному изменению эпюры скорости течения в нем.
Как уже было сказано [2], главная роль при образовании пограничного слоя принадлежит силам адгезии. В той же работе показано, что при течении воды в открытом лотке с супергидрофобным покрытием, вследствие существенного снижения сил адгезии, пограничный слой не возникает, вследствие чего происходит отрыв потока от боковых стенок лотка. Таким образом, в случае гидрофобного водоотталкивающего покрытия пограничный слой на поверхности не возникает, отсутствует, и происходит скольжение, скатывание жидкости вдоль такой поверхности. По-настоящему идеальная картина скольжения воды будет наблюдаться при краевых углах смачивания, близких к 180º (θ~180º). Именно в таком случае возникают условия, близкие к течению He I по поверхности He II, т. е. течение без образования пограничного слоя, течение без потерь кинетической энергии.
Можно говорить, что вода в таких условиях может приобрести свойство сверхтекучести на границе с супергидрофобным покрытием, у которого краевой угол смачивания θ~180º. Поэтому главное условие для получения сверхтекучести обычной жидкости (воды) можно сформулировать следующим образом: для возникновения сверхтекучести необходимы поверхности с краевым углом смачивания ~ 180º, т. е. скольжение жидкости.
Однако скольжение жидкости (на примере воды) происходит не только при краевых углах смачивания, близких к 180º. Практика показывает, что скольжение жидкости происходит при краевых углах, достаточно удаленных от 180º. В работе [2] сформулировано условие возникновения эффекта скольжения, связанное с отрывом слоя поверхностных молекул жидкости от твердой поверхности. Оно имеет следующий вид:
θ ≥ θr,
где θr – граничное значение краевого угла смачивания, начиная c которого наступает эффект устойчивого скольжения (скатывания) жидкости. В случае воды можно принять θr ~ 125º [2]. Таким образом, при углах θ ≥ θr проявляются водоотталкивающие свойства твердой поверхности и эффект скольжения, при котором пограничный слой не образуется, т. е. отсутствует. При углах, превышающих граничное значение, в лотке с покрытием возникает устойчивое скольжение жидкости и отрыв потока от боковых стенок на всей длине лотка от входа до выхода [2]. Скольжение жидкости является необходимым условием для получения сверхтекучести.
Поскольку при течении в закрытых каналах (трубах) силы адгезии со стороны стенок существенно уменьшаются, но остаются, сохраняется их подтормаживающее влияние на слой жидкостных молекул, текущий непосредственно вдоль твердой поверхности. Именно этим обстоятельством можно объяснить появление длины скольжения «b» в известных теоретических моделях скольжения жидкости [3]. По аналогии с полным/неполным смачиванием, можно, по-видимому, говорить о неполном скольжении жидкости (воды) при углах 180º > θ ≥ θr. При краевом угле, близком к 180º (θ ~ 180º) реализуется полное скольжение жидкости.
При наличии даже неполного скольжения жидкости (воды), сопротивление трения должно уменьшаться, по крайней мере, в десятки (если не в сотни) раз, как при течении по трубам, так и внешнем обтекании судов. Однако, как показали эксперименты, на всех имеющихся текстурированных покрытиях с θ ≥ θr, применяемых в настоящее время, незначительный эффект от скольжения жидкости проявлялся лишь при ламинарном течении: сопротивление понижалось максимум на 40-60 % по сравнению с тестовым образцом без покрытия. При турбулентном течении сопротивление практически не снижалось, а в некоторых случаях даже возрастало. Получается, что на всех, без исключения, применяемых в настоящее время текстурированных высокогидрофобных покрытиях явление скольжения возникает, а эффективность снижения гидравлического сопротивления получается крайне низкой. Это убедительно подтверждают эксперименты в [5, 6 и др.] на вращающихся дисках с текстурированными гидрофобными покрытиями и без них. Было получено, что коэффициент момента сопротивления трения зависел только от числа Рейнольдса и шероховатости поверхности, а скольжение жидкости никак не влияло. Как показал проведенный нами анализ [2], в условиях скольжения воды и отсутствия пограничного слоя течение становится очень чувствительным к шероховатости поверхности, к шероховатости текстурированного покрытия. Поэтому при турбулентном течении на таком покрытии реализуется или доквадратичный, или квадратичный закон гидравлического сопротивления. Таким образом, исключительно большой положительный эффект от скольжения жидкости при турбулентном течении полностью нивелируется сопротивлением от шероховатости текстурированных покрытий.
Следовательно, для получения существенного эффекта снижения гидравлического сопротивления от явления скольжения и получения сверхтекучести (полной/неполной) обычной жидкости поверхность гидрофобного покрытия должна быть гладкой. Это условие следует также из рассмотрения течения He I вдоль жидкой стенки He II в опытах П. Л. Капицы.
Однако еще раз следует подчеркнуть существенные отличия пограничной сверхтекучести от объемной сверхтекучести He II.
Во-первых, она может быть получена на любой обычной жидкости (например, воде) при нормальных атмосферных условиях.
Во-вторых, на пограничную сверхтекучесть жидкости никак не влияет масштабный фактор: ни скорость течения, ни размеры (например, диаметр трубопровода).
В итоге можно сформулировать основные условия для получения сверхтекучести обычных жидкостей при нормальных атмосферных условиях. Чтобы получить сверхтекучесть обычной жидкости (воды) на границе с твердой или жидкой поверхностью (покрытием) надо выполнить следующие необходимые и достаточные условия:
- Поверхность (например, поверхность покрытия) должна быть высокогидрофобной (высоколиофобной), водоотталкивающей. Краевой угол смачивания поверхности должен быть больше граничного значения, начиная c которого наступает эффект скольжения жидкости θ ≥ θr.
- Поверхность должна быть гладкой.
Как следует из всего вышеизложенного, наибольший практический интерес представляет впервые открытая нами [1] пограничная сверхтекучесть обычных вязких жидкостей. Поэтому в дальнейшем можно говорить о сверхтекучести обычных жидкостей, понимая под этим полную/неполную пограничную сверхтекучесть. Понятно, что ни о какой сверхтекучести на текстурированных высокогидрофобных покрытиях, широко разрабатываемых в настоящее время, не может быть и речи.
На основании сказанного можно утверждать, что принятое главное направление получения высоких значений краевого угла смачивания с помощью разработки текстурированных покрытий является бесперспективным.
Выводы
- Впервые в науке сформулированы необходимые и достаточные условия для получения сверхтекучести обычных жидкостей (например, воды) при нормальных атмосферных условиях.
- Показано, что сверхтекучесть обычных жидкостей реализуется только на высокогидрофобных (высоколиофобных) гладких поверхностях (покрытиях).
Литература
- Верхоломов В. К. Еще раз о сверхтекучести гелия / В. К. Верхоломов // Science and world. – 2020. – № 9. –V. 1. – С. 8–11.
- Верхоломов В. К. Физические причины отрыва потока воды от стенок в лотке с супергидрофобным покрытием / В. К. Верхоломов // Science and world. – 2020. – № 8. –V. 1. – С. 8–10.
- Виноградова О. И. Особенности гидродинамического и равновесного взаимодействия гидрофобных поверхностей.: Дис. на соиск. уч ст. д.ф. - м. н. / О. И. Виноградова. – М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2000. – 175 с.
- Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика / П. Л. Капица. – М.: Наука, 1974. – 285 с.
- Орлов О. П. Оценка возможности применения водоотталкивающих покрытий для снижения гидродинамического сопротивления судов / О. П. Орлов, А. В. Сверчков. – СПб.: Крыл. госуд. науч. центр, 2018. – Т. 383. – № 1 – С. 43–59.
- Пустошный А. В. Супергидрофобные покрытия. Возможности и перспективы их применения для снижения гидродинамического сопротивления / А. В. Пустошный, А. А. Хомяков, Л. Б. Бойнович // – СПб.: Междунар. конф. по судостр. и океанотехн. – 2016. – С. 516–521.