Un chercheur fait une découverte sur le transfert de chaleur qui s’appuie sur le principe du 18e siècle


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  • Le professeur agrégé Jonathan Boreyko et son collègue diplômé Mojtaba Edalatpour ont fait une découverte sur les propriétés de l’eau qui pourrait apporter un complément passionnant à un phénomène établi il y a plus de deux siècles. La découverte offre également des possibilités intéressantes pour les dispositifs et processus de refroidissement dans les applications industrielles utilisant uniquement les propriétés de base de l’eau. Leurs travaux ont été publiés le 21 janvier dans la revue Fluides d’examen physique.

    L’eau peut exister en trois phases : un solide congelé, un liquide et un gaz. Lorsque de la chaleur est appliquée à un solide congelé, il devient un liquide. Lorsqu’il est appliqué sur le liquide, il devient de la vapeur. Ce principe élémentaire est familier à quiconque a observé un verre de thé glacé par une chaude journée, ou fait bouillir une casserole d’eau pour faire des spaghettis.

    Lorsque la source de chaleur est suffisamment chaude, le comportement de l’eau change radicalement. Selon Boreyko, une goutte d’eau déposée sur une plaque d’aluminium chauffée à 150 degrés Celsius (302 degrés Fahrenheit) ou plus ne bouillira plus. Au lieu de cela, la vapeur qui se forme lorsque la gouttelette s’approche de la surface sera piégée sous la gouttelette, créant un coussin qui empêche le liquide d’entrer en contact direct avec la surface. La vapeur piégée fait léviter le liquide, glissant autour de la surface chauffée comme une rondelle de hockey sur air. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Leidenfrost, du nom du médecin et théologien allemand qui l’a décrit pour la première fois dans une publication de 1751.

    Ce principe scientifique communément admis s’applique à l’eau sous forme liquide, flottant sur un lit de vapeur. L’équipe de Boreyko s’est interrogée : la glace pourrait-elle fonctionner de la même manière ?

    “Il y a tellement d’articles sur la lévitation de liquide que nous voulions poser la question sur la lévitation de la glace”, a déclaré Boreyko. “Cela a commencé comme un projet de curiosité. Ce qui a motivé nos recherches était la question de savoir s’il était possible ou non d’avoir un effet Leidenfrost triphasé avec du solide, du liquide et de la vapeur.”

    Aller dans la glace

    La curiosité a déclenché la première enquête dans le laboratoire de Boreyko il y a environ cinq ans sous la forme d’un projet de recherche par Daniel Cusumano, alors étudiant de premier cycle. Ce qu’il a observé était fascinant. Même lorsque l’aluminium était chauffé au-dessus de 150 °C, la glace ne lévitait pas sur la vapeur comme le fait le liquide. Cusumano a continué à augmenter la température, observant le comportement de la glace à mesure que la chaleur augmentait. Ce qu’il a découvert, c’est que le seuil de lévitation était considérablement plus élevé : 550 C (1 022 F) au lieu de 150 C. Jusqu’à ce seuil, l’eau de fonte sous la glace continuait à bouillir en contact direct avec la surface, plutôt que de présenter l’effet Leidenfrost. .

    Que se passait-il sous la glace qui prolongeait l’ébullition ? Le projet a été repris par l’étudiant diplômé Mojtaba Edalatpour peu de temps après, pour résoudre le mystère. Edalatpour avait travaillé avec Boreyko pour développer de nouvelles méthodes de transfert de chaleur et mettre ces connaissances à profit pour aborder ce problème. La réponse s’est avérée être le différentiel de température dans la couche d’eau de fonte sous la glace. La couche d’eau de fonte a deux extrêmes différents : Son fond est en ébullition, ce qui fixe la température à environ 100 C, mais son sommet adhère à la glace restante, ce qui la fixe à environ 0 C. Le modèle d’Edalatpour a révélé que le maintien de cette température extrême différentiel consomme la majeure partie de la chaleur de la surface, expliquant pourquoi la lévitation était plus difficile pour la glace.

    Boreyko a précisé. “Le différentiel de température que la glace crée de manière unique à travers la couche d’eau a changé ce qui se passe dans l’eau elle-même, car maintenant la majeure partie de la chaleur de la plaque chauffante doit traverser l’eau pour maintenir ce différentiel extrême. Ainsi, seule une infime fraction de l’énergie ne peut plus être utilisée pour produire de la vapeur.”

    La température élevée de 550 degrés Celsius pour l’effet glacé Leidenfrost est pratiquement importante. L’eau bouillante transporte de manière optimale la chaleur loin du substrat, c’est pourquoi vous sentez une chaleur suffisante s’élever d’une casserole d’eau qui bout, mais pas d’une casserole d’eau qui est simplement chaude. Cela signifie que la difficulté à faire léviter la glace est en fait une bonne chose, car la plus grande fenêtre de température pour l’ébullition se traduira par un meilleur transfert de chaleur par rapport à l’utilisation d’un liquide seul.

    “Il est beaucoup plus difficile de faire léviter la glace que de faire léviter la goutte d’eau”, a déclaré Boreyko. “Le transfert de chaleur chute dès que la lévitation commence, car lorsque le liquide lévite, il ne bout plus. Il flotte sur la surface plutôt que de se toucher, et le toucher est ce qui fait bouillir la chaleur. Ainsi, pour le transfert de chaleur, la lévitation est terrible. L’ébullition est incroyable.

    Utilisation de la glace pour le transfert de chaleur

    Au fur et à mesure que l’équipe explorait les possibilités d’application pratique, elle s’est penchée sur son travail existant. Étant donné qu’Edalatpour avait effectué des recherches approfondies sur le transfert de chaleur, ce sujet est devenu un choix logique.

    Le transfert de chaleur est surtout utilisé pour refroidir des éléments tels que les serveurs informatiques ou les moteurs de voiture. Cela nécessite une substance ou un mécanisme capable d’éloigner l’énergie d’une surface chaude, redistribuant rapidement la chaleur pour réduire l’usure des pièces métalliques. Dans les centrales nucléaires, l’application de glace pour induire un refroidissement rapide pourrait devenir une mesure d’urgence facilement déployée en cas de panne de courant, ou une pratique courante pour l’entretien des pièces de la centrale.

    Il existe également des applications potentielles pour la métallurgie. Pour produire des alliages, il est nécessaire d’éteindre la chaleur des métaux qui ont été façonnés dans une fenêtre de temps étroite, ce qui rend le métal plus résistant et moins cassant. Si de la glace était appliquée, cela permettrait à la chaleur d’être évacuée rapidement à travers les trois phases aqueuses, refroidissant rapidement le métal.

    Boreyko prévoit également un potentiel d’applications dans la lutte contre les incendies.

    “Vous pouvez imaginer avoir un tuyau spécialement conçu qui pulvérise des éclats de glace au lieu d’un jet d’eau”, a-t-il déclaré. “Ce n’est pas de la science-fiction. J’ai visité une entreprise aérospatiale qui possède un tunnel de givrage et ils ont déjà cette technologie où une buse pulvérise des particules de glace au lieu de gouttelettes d’eau.”

    Avec une myriade de possibilités, Boreyko et Edalatpour sont enthousiasmés par la nouvelle contribution apportée au monde scientifique. En regardant les cinq dernières années, ils attribuent toujours ce développement passionnant à leur étincelle de curiosité commune et à leur volonté d’être créatifs dans la recherche.

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