JonathanBoreyko副教授领导着弗吉尼亚理工大学的一个团队，该团队在冰和水方面建立了强大的工作组合，探索为飞机除冰、建造新型集水装置以及用气泡制作雪球的可能性。这种对水的熟悉使团队对其在不同状态下的行为有了强烈的认识，从而导致了一个新项目，该项目展示了冰与水相比如何散热。研究结果发表在4月14日的《化学》杂志上。

MojtabaEdalatpour和硕士生CamrynColón执行了这个项目。他们研究了金属淬火的方法，这是冶金和消防等应用中的关键步骤。这两种情况都需要速度。冶金学家需要快速降低锻造件的温度以获得特定的材料性能，而消防员则需要尽快阻止财产的破坏。用水淬火只有在临界温度以下才有效——再高一点，水就会靠自己的蒸汽漂浮起来，不再能将热量煮沸。

Boreyko的团队想看看使用冰而不是水是否可以绕过悬浮问题来实现超热表面的淬火。

为了进行这项研究，Edalatpour和Colón加热了一个铝台并测量了水相对于冰的冷却速率。为了确保直接比较，他们在将表面加热到所需温度后将相同数量的水和冰释放到表面上。

当该阶段的初始表面温度在100°C和300°C之间时，水和冰都成功地将表面淬火到100°C以下。然而，冰只用了一半的时间就达到了这个结果。在较高的初始温度(300°C至500°C)下，只有用冰淬火才能成功。在这些高温下，冰的传热效率是液态水的100多倍。

有什么区别?水的特性使其无法达到去除热量的最佳位置。

那个甜蜜点正在沸腾，因为以气泡形式逸出的蒸汽最有效地带走了热量。由于水在高温下很容易漂浮在其蒸汽上，因此它与表面绝缘并且永远不会发生沸腾。冰的行为不同。当冰落到热表面上时，冰会在融化时吸收大部分热量。这减少了可用于产生气泡的热量，从而防止了悬浮问题。换句话说，与纯水相比，融水的沸腾速度较慢，因此有助于在高温下保持沸腾。

Boreyko将不寻常的液体行为与工人的生产力进行了比较。

“想想一个总是专注于工作的工作狂，”他说。“他们一开始效率很高，但很快就会筋疲力尽，变得毫无效率。事实证明，水在暴露于超高温表面时也是如此：它在将水沸腾成蒸汽时非常专注和高效，以至于它经历了‘倦怠，'这是悬浮的科学术语和导致冷却的灾难性失败。所以冰就像缓慢而稳定的乌龟，从长远来看会获胜。它不会很好地产生蒸汽泡，但这可以让它保持沸腾并在物体变热时避免悬浮。”

冻结的路径继续

该小组使用冰进行淬火的假设是在其最近发现冰不会漂浮并失去沸腾能力直到550°C之前产生的，而水的温度为150°C。基于这些发现，Boreyko的团队开始了几个应用其原理的新项目。这种传热是第一个要发表的产物。

Colón的后续工作包括测量当表面固定在恒定温度而不是让其冷却时冰的冷却性能。

“当你有一个恒定的温度时，你可以测量稳态热通量，这将使我们能够直接比较冰的热传递与最先进的锅炉，”Colón说。

该团队还在集思广益如何实施实用的冰淬火系统。

Boreyko说：“如何在现实生活中实施三相传热还有待观察，但我们很高兴能在未来几年内解决这个问题。”“这可能涉及制造能够喷射冰粒而不是水的喷嘴，或者它可能看起来更像是将预先形成的冰块释放到过热的表面上。在这成为现实之前还有很多事情要做-现成的技术。”