基于電子天平串口通訊探究Leidenfrost現(xiàn)象

何勒銘,原　媛

(復旦大學 a.微電子學系；b.物理系，上海 200433)

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基于電子天平串口通訊探究Leidenfrost現(xiàn)象

何勒銘a,原媛b

(復旦大學 a.微電子學系；b.物理系，上海 200433)

摘要：使用LabVIEW設計天平的串口通訊程序，快速采集了目標容器的質(zhì)量變化，觀測到了較為理想的Leidenfrost現(xiàn)象，并數(shù)值分析了在標準大氣壓下不同金屬材料的Leidenfrost溫度點.

關鍵詞：Leidenfrost現(xiàn)象;LabVIEW;串口通訊;膜沸騰

1引言

沸騰是生活中非常常見的現(xiàn)象，加熱水的過程中，當容器升溫逐漸達到略高于水的沸點時，貼近容器表面的液體就會在分散的位置汽化，產(chǎn)生氣泡，流體在濕潤的中熱表面上生成蒸汽泡的沸騰現(xiàn)象稱之為核沸騰. 但如果容器溫度繼續(xù)升高直至一定的溫度點時，產(chǎn)生的氣泡變多至形成連續(xù)、穩(wěn)定的氣膜，“包裹”住容器的接觸面，這種沸騰現(xiàn)象稱之為膜沸騰[1]，而該溫度點便是Leidenfrost點(LFP). 利用Leidenfrost現(xiàn)象可以實現(xiàn)高溫物體的快速降溫，另一方面，利用該現(xiàn)象還可以起到減小水中運動物體阻力的效果，進而設計出高速度的魚雷及潛艇. 這些應用有著非常重要的意義. 因此對Leidenfrost現(xiàn)象中蒸汽膜的研究以及對Leidenfrost點的控制有著很樂觀的前景.

研究特定物體與液體的Leidenfrost現(xiàn)象有多種方法，如使用物體內(nèi)置溫度傳感器繪制物體降溫的連續(xù)溫度曲線，設計加熱器保持恒定溫度以觀察氣化速率，加裝高速攝像機[2]，等等，在條件允許的情況下都可以得到較理想的觀測效果，可以精確地觀測到Leidenfrost現(xiàn)象，得到Leidenfrost溫度點，并對不同表面性質(zhì)(表面形態(tài)學及親/疏水性)進行分析. 對于無法內(nèi)置溫度傳感器、加熱器或者工作在低溫環(huán)境下的工業(yè)成品而言，上述方法很難實現(xiàn)、操作性差. 此時一套可行、簡便的測試方法更為重要. 本實驗以液氮環(huán)境下不同材料的金屬球為研究對象，通過設計電子天平的串口通訊程序，實現(xiàn)了對目標容器質(zhì)量變化的快速采集，并通過對數(shù)據(jù)的后續(xù)分析，較為成功地觀測到了Leidenfrost現(xiàn)象，并粗略計算出了相應的Leidenfrost點.

2實驗設計

2.1　實驗器材介紹

通過RS232串口線連接的電子天平與電腦(Windows8.1)、盛放液氮的杜瓦、連有細線的金屬小球(懸線可以便捷地控制小球浸沒在液體中且不會沉入杜瓦底部). 儀器的搭建如圖1所示.

圖1　實驗儀器搭建框圖

2.2　程序設計

實驗過程中采用了梅特勒PB602-N型電子天平，設計的具體程序適用于梅特勒絕大多數(shù)有RS232串口輸出的電子天平，具有普遍適用性. 實測的核心程序是在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的，其數(shù)據(jù)流編程方式及圖形化的編輯語言和界面大大減輕了使用C及C++等語言繁瑣的底層設計，使得編程及使用過程更加簡明.

具體程序設計思路如下：電子天平將質(zhì)量信號傳遞給傳感器，傳感器將靜態(tài)/動態(tài)質(zhì)量以一定字符串形式用16進制ASCII碼輸出，通過載有RS232芯片的RS232-USB數(shù)據(jù)線傳遞給電腦端口，電腦端自編軟件完成數(shù)據(jù)的存儲和處理等任務，將獲得的數(shù)據(jù)處理后傳給本地磁盤存儲及顯示器顯示. 程序結構流程見圖2.

圖2　程序結構流程圖

為實現(xiàn)實測的目的，通過LabVIEW將程序的各部分以模塊化的功能類組建起來，達到與串口建立通訊、自由調(diào)節(jié)實測頻率、顯示波形圖以及轉(zhuǎn)存質(zhì)量數(shù)據(jù)的目的. 圖3為實測過程中的UI界面.

圖3　實測過程的UI界面

2.3　實驗步驟

本實驗采集了黃銅、鋁2種金屬球投入液氮后杜瓦以及液氮的總質(zhì)量m隨時間t的變化數(shù)據(jù)，并進行了比較. 為便于對比，2個金屬球的尺寸相同(直徑1.90 cm)，且小球在同一實驗環(huán)境中靜置了足夠長時間，可以認為它們的初始溫度也是相同的. 具體實驗步驟如下：

1)對電子天平的水平狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)歸零后，將盛有液氮的杜瓦置于電子天平上.

2)程序啟用：

a) 運行程序總開關“ON”；

b) 在“EXPORT”欄目中輸入文件轉(zhuǎn)存路徑(txt格式存儲)；

c) 設定波特率為9 600，調(diào)整記錄頻率為10 Hz；

d) 待選取合適時間點，點擊“TOUCH TO EXPORT”開關輸出質(zhì)量數(shù)據(jù).

3)靜置約30 s后，觀測液氮與周圍環(huán)境熱交換引起的質(zhì)量變化. 隨后，在保證不濺起液氮的情況下快速將金屬球放入杜瓦中，金屬球在連接線的作用下，可以很穩(wěn)定地懸于液氮中.

4)標志性實驗現(xiàn)象觀測. 在本實驗條件下，液氮由膜沸騰開始到熱交換停止持續(xù)約2~3 min，當聽到杜瓦瓶中發(fā)出明顯的“嗞嗞”聲時，意味著液氮與金屬球即將熱交換結束,即兩者達到熱平衡.

5)繼續(xù)采集約30 s，觀測液氮與金屬球達到熱平衡后液氮在周圍環(huán)境中的汽化速率.

6)重新點擊“TOUCH TO EXPORT”開關停止記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)，點擊“ON”開關結束實驗.

實驗時為避免震動、冷卻速率[3]對Leidenfrost點的影響，整個過程控制外界環(huán)境沒有震動，溫度基本恒定，保證金屬球自發(fā)熱交換至液氮溫度.

3實驗結果及分析

3.1　作圖法分析數(shù)據(jù)

將實測的2個不同材質(zhì)金屬球的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)批量導入至Origin 9內(nèi)，進行數(shù)據(jù)分析,選取全過程進行非線性擬合，得到圖4的m-t圖，其中o點為數(shù)據(jù)采集的起始點，a點為金屬球投入液氮的時刻，b點為膜沸騰到核沸騰的轉(zhuǎn)折點，c點為金屬球與液氮達到熱平衡的時刻，d點為采集結束的時刻.

圖4　質(zhì)量隨時間變化關系圖

擬合過程中對質(zhì)量數(shù)據(jù)進行了如下處理.

1) 與UI界面的示意圖3相比，在oa段對應的總質(zhì)量中加入了等價于金屬球所受浮力的質(zhì)量，使得圖3的曲線連續(xù)；

2) 將2條曲線o點(系統(tǒng)的初始質(zhì)量)整體平移至400 g，使得oa段的起始點近似相等，以便圖像對比更加直觀.

從圖4中可看出實驗總過程可分為如下4個階段：

1)oa段. 金屬球投入液氮前，液氮從周圍環(huán)境吸熱，引起質(zhì)量下降.

2)ab段. 金屬球釋放熱量，使得液氮處于膜沸騰狀態(tài).

3)bc段. 蒸汽膜消失，液氮處于核沸騰狀態(tài).

4)cd段. 金屬球與液氮熱平衡后，液氮從周圍環(huán)境吸熱，引起質(zhì)量下降.

依據(jù)文獻[3]，可以判斷Leidenfrost點應處于圖4所示的b點——光滑曲線的微小凸起處. 為了觀測從膜沸騰到核沸騰轉(zhuǎn)折時液氮汽化速率的變化情況，截取了[100,170]s時間范圍內(nèi)質(zhì)量隨時間變化關系圖，如圖5(a)所示. 在Origin中對圖5(a)選擇一階微分分析，對微分數(shù)據(jù)取絕對值并去噪、光滑處理后非線性擬合作圖得到圖5(b)所示的液氮汽化速率r隨時間的變化關系圖，該圖用于分析熱交換狀況更加便捷，在圖中可以準確地定位到b點、c點的位置，并且核沸騰的速率變化也可以直觀地展現(xiàn)出來. 對比圖5(a)和5(b)可以看出平緩曲線中突然出現(xiàn)的尖峰所對應的正是膜沸騰結束即包裹金屬球的氮氣泡破裂時的劇烈核沸騰，核沸騰產(chǎn)生的大量氮氣泡會對金屬球產(chǎn)生附加的反沖力，使得電子天平在反作用力的作用下，質(zhì)量示數(shù)上升，在質(zhì)量下降的過程中出現(xiàn)質(zhì)量上升的突變. 實驗中也正是在此暫短時間內(nèi)觀測到杜瓦杯口突然冒出大量白霧，且較金屬球剛投入時白霧的持續(xù)時間要短很多. 至此，實驗數(shù)據(jù)很好地印證了金屬球投入液氮后所出現(xiàn)的Leidenfrost現(xiàn)象，并且可以認為圖5(b)中峰值出現(xiàn)前曲線上的拐點正是該過程中的Leidenfrost 點(LFP).

(a)

(b)圖5　液氮質(zhì)量和汽化速率隨時間的變化圖

對于初始溫度相同、尺寸相同的2個金屬球，從圖5(b)中可以看到其汽化曲線并不相同. 為了分析兩球的這種差異，引入比熱容CV和熱導率k的計算公式[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為金屬球的比熱容CV或熱導率k，a~i是展開式中各項的系數(shù)，具體的計算結果如表1所示.

表1　金屬球物理特性

從表1的數(shù)據(jù)可以計算出對于初始溫度、尺寸相同的銅球和鋁球，銅球所含的初始熱量是鋁球的1.2倍左右. 而圖6顯示出在77~300 K溫度范圍內(nèi)銅球的熱導率遠大于鋁球的熱導率，但是觀看圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)在膜沸騰階段兩球的汽化速率并沒有很大的區(qū)別，這與實驗中觀測到的包裹金屬球的氮氣泡有著直接的聯(lián)系. 固體與液體之間的傳熱因為中間層——氮氣膜的存在變得非常緩慢，而這種減速對不同的金屬球效果是近似相同的，所以在熱交換過程的ab段不同金屬的汽化速率并沒有因為它們巨大的熱導率的差異而體現(xiàn)出相應的差異；而在bc段核沸騰階段，由于金屬球與液氮直接接觸，所以從5(b)上可以清晰地看到不同金屬下液氮的汽化速率有著明顯的差異，這主要歸咎于各金屬的熱導率.

圖6　熱導率溫度關系圖

可以得出結論：在膜沸騰階段由于蒸汽層對金屬球的包裹作用，使得金屬球與液氮的熱交換速率大大下降，使得金屬本身良好的熱導性大大下降.

3.2　數(shù)值分析

在計算Leidenfrost溫度點時，通過計算金屬球在bc段釋放的熱量，以導出bc段中金屬球的溫度變化量ΔT：

(2)

其中,ms為金屬球質(zhì)量，ΔT為bc段金屬球的溫度變化，L為一個標準大氣壓下(1.01×105Pa)液氮的比汽化熱，Δm為液氮在bc段汽化的質(zhì)量，CV(T)為該金屬材質(zhì)比熱容的溫度函數(shù)[4]，具體表達式見式(1). 考慮液氮在bc段與空氣熱交換而減小的質(zhì)量遠小于Δm，故忽略bc段液氮與空氣的熱交換對實驗的影響，近似為Δm. 金屬球溫度選取液氮沸點(T0=77.4 K)加上式(2)積分得到的ΔT逆推即是其相應的Leidenfrost點. 銅、鋁金屬球的比熱容分別以OFCH copper、6061-T6 Aluminum的數(shù)據(jù)為準，依照文獻[4]給出的參量可計算得到2種金屬的Leidenfrost點分別為：LFPAl=102.7 K，LEPCu=99.9 K.

4結束語

實驗通過電子天平的串口通訊快速采集了2種沸騰狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變的質(zhì)量變化，通過繪制銅球和鋁球的全過程m-t圖、bc段前后的m-t圖及r-t圖，較為理想地分析出了兩金屬球與液氮熱交換的Leidenfrost溫度點并對2個金屬球的性質(zhì)做了橫向的初步比較. 本實驗中相比于溫度傳感器的測量方式，LabVIEW平臺下開發(fā)的程序在實際應用上有著操作性更強、開銷更小、更實用，適用范圍廣的特點，對于實際工程中小物件的研究具有信息量更大、更便捷的優(yōu)勢，在涂料研究、水減阻、高溫物件的快速降溫、物體的自驅(qū)動[5]等領域與溫度傳感器的方法互補，有樂觀的應用前景.

實驗中使用2種不同材質(zhì)的光滑金屬球進行對比，得到了直觀的數(shù)據(jù)，但由于本實驗對物體的表面形態(tài)學及親疏水特性不做研究，實驗中沒有實際的對金屬球表面進行微觀的成像以及其液體接觸角[2]的測量.

采用串口通訊進行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的方法存在多個間接誤差，比如液體與環(huán)境的熱交換、液體氣化速率在bc段前后有所改變、物塊材質(zhì)的比熱容存在誤差都會影響計算. 雖然可行性強，但對多個因素比較敏感，需要進行多方面的變量控制. 今后的具體分析可以和溫度傳感器法相結合，用信息量大、更便捷的優(yōu)勢與溫度傳感器的準確相結合，做好各環(huán)境因素的控制，即可以取得更佳的研究成果.

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[責任編輯：郭偉]

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

中圖分類號：O414.12；O4-39

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)01-0033-05

作者簡介：何勒銘(1995-)，男，陜西西安人，復旦大學微電子學系2013級本科生.

收稿日期：2014-06-24；修改日期：2014-08-02

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

指導教師： 原媛(1982-)，女，山西長治人，復旦大學物理系工程師，碩士，從事理論物理數(shù)值計算及物理實驗教學.