基于电子天平串口通讯探究Leidenfrost现象

何勒铭,原　媛

(复旦大学 a.微电子学系；b.物理系，上海 200433)



基于电子天平串口通讯探究Leidenfrost现象

何勒铭a,原媛b

(复旦大学 a.微电子学系；b.物理系，上海 200433)

摘要：使用LabVIEW设计天平的串口通讯程序，快速采集了目标容器的质量变化，观测到了较为理想的Leidenfrost现象，并数值分析了在标准大气压下不同金属材料的Leidenfrost温度点.

关键词：Leidenfrost现象;LabVIEW;串口通讯;膜沸腾

1引言

沸腾是生活中非常常见的现象，加热水的过程中，当容器升温逐渐达到略高于水的沸点时，贴近容器表面的液体就会在分散的位置汽化，产生气泡，流体在湿润的中热表面上生成蒸汽泡的沸腾现象称之为核沸腾. 但如果容器温度继续升高直至一定的温度点时，产生的气泡变多至形成连续、稳定的气膜，“包裹”住容器的接触面，这种沸腾现象称之为膜沸腾[1]，而该温度点便是Leidenfrost点(LFP). 利用Leidenfrost现象可以实现高温物体的快速降温，另一方面，利用该现象还可以起到减小水中运动物体阻力的效果，进而设计出高速度的鱼雷及潜艇. 这些应用有着非常重要的意义. 因此对Leidenfrost现象中蒸汽膜的研究以及对Leidenfrost点的控制有着很乐观的前景.

研究特定物体与液体的Leidenfrost现象有多种方法，如使用物体内置温度传感器绘制物体降温的连续温度曲线，设计加热器保持恒定温度以观察气化速率，加装高速摄像机[2]，等等，在条件允许的情况下都可以得到较理想的观测效果，可以精确地观测到Leidenfrost现象，得到Leidenfrost温度点，并对不同表面性质(表面形态学及亲/疏水性)进行分析. 对于无法内置温度传感器、加热器或者工作在低温环境下的工业成品而言，上述方法很难实现、操作性差. 此时一套可行、简便的测试方法更为重要. 本实验以液氮环境下不同材料的金属球为研究对象，通过设计电子天平的串口通讯程序，实现了对目标容器质量变化的快速采集，并通过对数据的后续分析，较为成功地观测到了Leidenfrost现象，并粗略计算出了相应的Leidenfrost点.

2实验设计

2.1　实验器材介绍

通过RS232串口线连接的电子天平与电脑(Windows8.1)、盛放液氮的杜瓦、连有细线的金属小球(悬线可以便捷地控制小球浸没在液体中且不会沉入杜瓦底部). 仪器的搭建如图1所示.

图1　实验仪器搭建框图

2.2　程序设计

实验过程中采用了梅特勒PB602-N型电子天平，设计的具体程序适用于梅特勒绝大多数有RS232串口输出的电子天平，具有普遍适用性. 实测的核心程序是在LabVIEW环境下开发的，其数据流编程方式及图形化的编辑语言和界面大大减轻了使用C及C++等语言繁琐的底层设计，使得编程及使用过程更加简明.

具体程序设计思路如下：电子天平将质量信号传递给传感器，传感器将静态/动态质量以一定字符串形式用16进制ASCII码输出，通过载有RS232芯片的RS232-USB数据线传递给电脑端口，电脑端自编软件完成数据的存储和处理等任务，将获得的数据处理后传给本地磁盘存储及显示器显示. 程序结构流程见图2.

图2　程序结构流程图

为实现实测的目的，通过LabVIEW将程序的各部分以模块化的功能类组建起来，达到与串口建立通讯、自由调节实测频率、显示波形图以及转存质量数据的目的. 图3为实测过程中的UI界面.

图3　实测过程的UI界面

2.3　实验步骤

本实验采集了黄铜、铝2种金属球投入液氮后杜瓦以及液氮的总质量m随时间t的变化数据，并进行了比较. 为便于对比，2个金属球的尺寸相同(直径1.90 cm)，且小球在同一实验环境中静置了足够长时间，可以认为它们的初始温度也是相同的. 具体实验步骤如下：

1)对电子天平的水平状态进行调节，数据归零后，将盛有液氮的杜瓦置于电子天平上.

2)程序启用：

a) 运行程序总开关“ON”；

b) 在“EXPORT”栏目中输入文件转存路径(txt格式存储)；

c) 设定波特率为9 600，调整记录频率为10 Hz；

d) 待选取合适时间点，点击“TOUCH TO EXPORT”开关输出质量数据.

3)静置约30 s后，观测液氮与周围环境热交换引起的质量变化. 随后，在保证不溅起液氮的情况下快速将金属球放入杜瓦中，金属球在连接线的作用下，可以很稳定地悬于液氮中.

4)标志性实验现象观测. 在本实验条件下，液氮由膜沸腾开始到热交换停止持续约2~3 min，当听到杜瓦瓶中发出明显的“嗞嗞”声时，意味着液氮与金属球即将热交换结束,即两者达到热平衡.

5)继续采集约30 s，观测液氮与金属球达到热平衡后液氮在周围环境中的汽化速率.

6)重新点击“TOUCH TO EXPORT”开关停止记录质量数据，点击“ON”开关结束实验.

实验时为避免震动、冷却速率[3]对Leidenfrost点的影响，整个过程控制外界环境没有震动，温度基本恒定，保证金属球自发热交换至液氮温度.

3实验结果及分析

3.1　作图法分析数据

将实测的2个不同材质金属球的质量变化数据批量导入至Origin 9内，进行数据分析,选取全过程进行非线性拟合，得到图4的m-t图，其中o点为数据采集的起始点，a点为金属球投入液氮的时刻，b点为膜沸腾到核沸腾的转折点，c点为金属球与液氮达到热平衡的时刻，d点为采集结束的时刻.

图4　质量随时间变化关系图

拟合过程中对质量数据进行了如下处理.

1) 与UI界面的示意图3相比，在oa段对应的总质量中加入了等价于金属球所受浮力的质量，使得图3的曲线连续；

2) 将2条曲线o点(系统的初始质量)整体平移至400 g，使得oa段的起始点近似相等，以便图像对比更加直观.

从图4中可看出实验总过程可分为如下4个阶段：

1)oa段. 金属球投入液氮前，液氮从周围环境吸热，引起质量下降.

2)ab段. 金属球释放热量，使得液氮处于膜沸腾状态.

3)bc段. 蒸汽膜消失，液氮处于核沸腾状态.

4)cd段. 金属球与液氮热平衡后，液氮从周围环境吸热，引起质量下降.

依据文献[3]，可以判断Leidenfrost点应处于图4所示的b点——光滑曲线的微小凸起处. 为了观测从膜沸腾到核沸腾转折时液氮汽化速率的变化情况，截取了[100,170]s时间范围内质量随时间变化关系图，如图5(a)所示. 在Origin中对图5(a)选择一阶微分分析，对微分数据取绝对值并去噪、光滑处理后非线性拟合作图得到图5(b)所示的液氮汽化速率r随时间的变化关系图，该图用于分析热交换状况更加便捷，在图中可以准确地定位到b点、c点的位置，并且核沸腾的速率变化也可以直观地展现出来. 对比图5(a)和5(b)可以看出平缓曲线中突然出现的尖峰所对应的正是膜沸腾结束即包裹金属球的氮气泡破裂时的剧烈核沸腾，核沸腾产生的大量氮气泡会对金属球产生附加的反冲力，使得电子天平在反作用力的作用下，质量示数上升，在质量下降的过程中出现质量上升的突变. 实验中也正是在此暂短时间内观测到杜瓦杯口突然冒出大量白雾，且较金属球刚投入时白雾的持续时间要短很多. 至此，实验数据很好地印证了金属球投入液氮后所出现的Leidenfrost现象，并且可以认为图5(b)中峰值出现前曲线上的拐点正是该过程中的Leidenfrost 点(LFP).

(a)

(b)图5　液氮质量和汽化速率随时间的变化图

对于初始温度相同、尺寸相同的2个金属球，从图5(b)中可以看到其汽化曲线并不相同. 为了分析两球的这种差异，引入比热容CV和热导率k的计算公式[4]：

y=10a+blgT+c(lgT)2+d(lgT)3+e(lgT)4+f(lgT)5+g(lgT)6+h(lgT)7+i(lgT)8,

(1)

其中y为金属球的比热容CV或热导率k，a~i是展开式中各项的系数，具体的计算结果如表1所示.

表1　金属球物理特性

从表1的数据可以计算出对于初始温度、尺寸相同的铜球和铝球，铜球所含的初始热量是铝球的1.2倍左右. 而图6显示出在77~300 K温度范围内铜球的热导率远大于铝球的热导率，但是观看图5(b)可以发现在膜沸腾阶段两球的汽化速率并没有很大的区别，这与实验中观测到的包裹金属球的氮气泡有着直接的联系. 固体与液体之间的传热因为中间层——氮气膜的存在变得非常缓慢，而这种减速对不同的金属球效果是近似相同的，所以在热交换过程的ab段不同金属的汽化速率并没有因为它们巨大的热导率的差异而体现出相应的差异；而在bc段核沸腾阶段，由于金属球与液氮直接接触，所以从5(b)上可以清晰地看到不同金属下液氮的汽化速率有着明显的差异，这主要归咎于各金属的热导率.

图6　热导率温度关系图

可以得出结论：在膜沸腾阶段由于蒸汽层对金属球的包裹作用，使得金属球与液氮的热交换速率大大下降，使得金属本身良好的热导性大大下降.

3.2　数值分析

在计算Leidenfrost温度点时，通过计算金属球在bc段释放的热量，以导出bc段中金属球的温度变化量ΔT：

(2)

其中,ms为金属球质量，ΔT为bc段金属球的温度变化，L为一个标准大气压下(1.01×105Pa)液氮的比汽化热，Δm为液氮在bc段汽化的质量，CV(T)为该金属材质比热容的温度函数[4]，具体表达式见式(1). 考虑液氮在bc段与空气热交换而减小的质量远小于Δm，故忽略bc段液氮与空气的热交换对实验的影响，近似为Δm. 金属球温度选取液氮沸点(T0=77.4 K)加上式(2)积分得到的ΔT逆推即是其相应的Leidenfrost点. 铜、铝金属球的比热容分别以OFCH copper、6061-T6 Aluminum的数据为准，依照文献[4]给出的参量可计算得到2种金属的Leidenfrost点分别为：LFPAl=102.7 K，LEPCu=99.9 K.

4结束语

实验通过电子天平的串口通讯快速采集了2种沸腾状态及其转变的质量变化，通过绘制铜球和铝球的全过程m-t图、bc段前后的m-t图及r-t图，较为理想地分析出了两金属球与液氮热交换的Leidenfrost温度点并对2个金属球的性质做了横向的初步比较. 本实验中相比于温度传感器的测量方式，LabVIEW平台下开发的程序在实际应用上有着操作性更强、开销更小、更实用，适用范围广的特点，对于实际工程中小物件的研究具有信息量更大、更便捷的优势，在涂料研究、水减阻、高温物件的快速降温、物体的自驱动[5]等领域与温度传感器的方法互补，有乐观的应用前景.

实验中使用2种不同材质的光滑金属球进行对比，得到了直观的数据，但由于本实验对物体的表面形态学及亲疏水特性不做研究，实验中没有实际的对金属球表面进行微观的成像以及其液体接触角[2]的测量.

采用串口通讯进行质量数据采集的方法存在多个间接误差，比如液体与环境的热交换、液体气化速率在bc段前后有所改变、物块材质的比热容存在误差都会影响计算. 虽然可行性强，但对多个因素比较敏感，需要进行多方面的变量控制. 今后的具体分析可以和温度传感器法相结合，用信息量大、更便捷的优势与温度传感器的准确相结合，做好各环境因素的控制，即可以取得更佳的研究成果.

参考文献：

[1]Walker J, Marston J O, Chan D Y C. Boiling and the Leidenfrost effect [Z]. Cleveland State University, 2010.

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[5]Linke H, Alemn B J, Melling L D. Self-propelled leidenfrost droplets[J]. Physical Review Letters, 2006,96:154502.

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[责任编辑：郭伟]

Exploration of Leidenfrost phenomenon based on serial communication of electronic balance

HE Le-minga, YUAN Yuanb

(a. School of Microelectronics; b. Department of Physics,Fudan University, Shanghai 200433, China)

Abstract:LabVIEW program was designed for serial communication with electronic balance to collect mass information at high frequency. By using the program, the Leidenfrost phenomenon was successfully observed. The Leidenfrost points of different metal balls were analyzed at normal pressure.

Key words:Leidenfrost phenomenon; LabVIEW; serial communication; film boiling

中图分类号：O414.12；O4-39

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)01-0033-05

作者简介：何勒铭(1995-)，男，陕西西安人，复旦大学微电子学系2013级本科生.

收稿日期：2014-06-24；修改日期：2014-08-02

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

指导教师： 原媛(1982-)，女，山西长治人，复旦大学物理系工程师，硕士，从事理论物理数值计算及物理实验教学.