Эффект Лейденфроста - это физическое явление, при котором жидкость вблизи поверхности, которая значительно горячее, чем точка кипения жидкости, образует изолирующий пар слой, который не дает жидкости быстро закипать. Из-за этой «силы отталкивания» капля парит над поверхностью, а не вступает в физический контакт с горячей поверхностью.
Это чаще всего наблюдается при приготовлении пищи, когда несколько капель воды разбрызгиваются на горячую сковороду. Если температура поддона равна или выше точки Лейденфроста, которая составляет примерно 193 ° C (379 ° F) для воды, вода скользит по поддону и испаряется дольше, чем если бы вода капельки были сброшены в более прохладную кастрюлю. Эффект отвечает за способность человека быстро окунуть влажный палец в расплавленный свинец или выдохнуть полный рот жидкого азота без травм. Последнее потенциально смертельно, особенно если случайно проглотить жидкий азот.
Эффект назван в честь немецкого врача Иоганна Готтлоба Лейденфроста, который описал его в «Трактате о некоторых качествах общей воды». in 1751.
Эффект можно увидеть, когда капли воды разбрызгиваются на сковороду в разное время, когда она нагревается. Изначально, когда температура сковороды чуть ниже 100 ° C (212 ° F), вода выравнивается и медленно испаряется, или если температура сковороды значительно ниже 100 ° C (212 ° F), вода остается жидкость. Когда температура сковороды превышает 100 ° C (212 ° F), капли воды с шипением касаются сковороды, и эти капли быстро испаряются. Позже, когда температура превышает точку Лейденфроста, в игру вступает эффект Лейденфроста. При контакте со сковородой капли воды собираются в маленькие водяные шарики и носятся по кругу, что продолжается намного дольше, чем при более низкой температуре сковороды. Этот эффект работает до тех пор, пока гораздо более высокая температура не заставит дальнейшие капли воды испаряться слишком быстро, чтобы вызвать этот эффект.
Это связано с тем, что при температурах выше точки Лейденфроста нижняя часть капли воды испаряется сразу после контакта с горячей сковородой. Образующийся газ удерживает остальную каплю воды чуть выше себя, предотвращая дальнейший прямой контакт между жидкой водой и горячей кастрюлей. Поскольку пар имеет гораздо более низкую теплопроводность, чем металлический поддон, дальнейшая теплопередача между поддоном и каплей резко замедляется. Это также приводит к тому, что капля может скользить по сковороде на слое газа прямо под ней.
Поведение воды на горячей плите. График показывает зависимость теплопередачи (потока) от температуры. Эффект Лейденфроста возникает после переходного кипения.Температура, при которой начинает проявляться эффект Лейденфроста, предсказать нелегко. Даже если объем капли жидкости остается неизменным, точка Лейденфроста может быть совершенно другой, со сложной зависимостью от свойств поверхности, а также любых примесей в жидкости. Были проведены некоторые исследования теоретической модели системы, но они довольно сложны. По очень приблизительной оценке, точка Лейденфроста для капли воды на сковороде может иметь место при температуре 193 ° C (379 ° F).
Эффект также описал выдающийся викторианский конструктор паровых котлов: Сэр Уильям Фэйрбэрн, в отношении его влияния на значительное уменьшение теплопередачи от горячей поверхности железа к воде, например, внутри котла. В паре лекций по конструкции котлов он процитировал работы Пьера Ипполита Бутиньи (1798–1884) и профессора Боумена Королевского колледжа в Лондоне, изучавших это. Капля воды, которая испарилась почти сразу при 168 ° C (334 ° F), сохранялась в течение 152 секунд при 202 ° C (396 ° F). Более низкие температуры в котле топка могут привести к более быстрому испарению воды; сравнить Эффект Мпембы. Альтернативный подход заключался в повышении температуры выше точки Лейденфроста. Фэйрберн тоже подумал об этом и, возможно, думал о паровом котле с мгновенным испарением, но счел технические аспекты непреодолимыми в то время.
Точка Лейденфроста также может быть принята как температура, при которой парящая капля длится дольше всего.
Было продемонстрировано, что можно стабилизировать паровой слой воды Лейденфроста, используя супергидрофобные поверхности. В этом случае, как только паровой слой образуется, охлаждение никогда не разрушает этот слой и пузырькового кипения не происходит; слой вместо этого медленно расслабляется, пока поверхность не остынет.
Эффект Лейденфроста был использован для развития высокочувствительной масс-спектрометрии окружающей среды. Под влиянием условия Лейденфроста левитирующая капля не высвобождает молекулы наружу, а молекулы внутри капли обогащаются. В последний момент испарения капли все обогащенные молекулы высвобождаются за короткий промежуток времени и, таким образом, повышают чувствительность.
A тепловой двигатель, основанный на эффекте Лейденфроста. Его преимущество заключается в чрезвычайно низком трении.
Точка Лейденфроста означает начало стабильного пленочного кипения. Он представляет собой точку на кривой кипения, где тепловой поток минимален, а поверхность полностью покрыта паровой подушкой. Передача тепла от поверхности к жидкости происходит за счет теплопроводности и излучения через пар. В 1756 году Лейденфрост заметил, что капли воды, поддерживаемые паровой пленкой, медленно испаряются, когда они движутся по горячей поверхности. По мере увеличения температуры поверхности излучение через паровую пленку становится более значительным, а тепловой поток увеличивается с увеличением избыточной температуры.
Минимальный тепловой поток для большой горизонтальной пластины может быть получен из уравнения Зубера,
где свойства оцениваются при температуре насыщения. Константа Цубера, , составляет приблизительно 0,09 для большинства жидкостей при умеренном давлении.
Коэффициент теплопередачи может быть аппроксимирован с помощью уравнения Бромли,
Где, - внешний диаметр трубка. Константа корреляции C составляет 0,62 для горизонтальных цилиндров и вертикальных пластин и 0,67 для сфер. Свойства пара оценивают при температуре пленки.
Для стабильного пленочного кипения на горизонтальной поверхности Беренсон модифицировал уравнение Бромли, получив значение текучести
Для вертикальных труб Hsu и Westwater сопоставили следующее уравнение:
Где, m - массовый расход в на верхнем конце трубки
При превышении температуры выше, чем при минимальной температуре потока, вклад излучения становится заметным и становится доминирующим при высоких избыточных температурах. Таким образом, общий коэффициент теплопередачи может быть комбинацией этих двух факторов. Бромли предложил следующие уравнения для пленочного кипения с внешней поверхности горизонтальных труб.
Если ,
Эффективный коэффициент излучения, можно выразить как,
Где, - коэффициент излучения твердого тела, а - постоянная Стефана-Больцмана.
Уравнение для поля давления в паровой области между каплей и твердой поверхностью может быть решено с использованием стандартных уравнений количества движения и неразрывности. Для простоты решения предполагаются линейный профиль температуры и параболический профиль скорости в пределах паровой фазы. Предполагается, что теплопередача в паровой фазе осуществляется за счет теплопроводности. С помощью этих приближений можно решить уравнение Навье-Стокса, чтобы получить поле давления.
Температура Лейденфроста является свойством данной пары твердое тело-жидкость. Температура твердой поверхности, за которой жидкость подвергается явлению Лейденфроста, называется температурой Лейденфроста. Расчет температуры Лейденфроста включает расчет минимальной температуры пленочного кипения жидкости. Беренсон получил соотношение для минимальной температуры пленочного кипения из соображений минимума теплового потока. Хотя уравнение для минимальной температуры пленочного кипения, которое можно найти в приведенной выше ссылке, довольно сложно, его особенности можно понять с физической точки зрения. Один критический параметр, который следует учитывать, - это поверхностное натяжение . Пропорциональное соотношение между минимальной температурой пленочного кипения и поверхностным натяжением следует ожидать, поскольку жидкости с более высоким поверхностным натяжением нуждаются в более высоких количествах теплового потока для начала пузырькового кипения. Поскольку пленочное кипение происходит после пузырькового кипения, минимальная температура пленочного кипения должна пропорционально зависеть от поверхностного натяжения.
Генри разработал модель явления Лейденфроста, которая включает временное смачивание и испарение микрослоя. Поскольку явление Лейденфроста является частным случаем пленочного кипения, температура Лейденфроста связана с минимальной температурой пленочного кипения через соотношение, которое влияет на свойства используемого твердого вещества. Хотя температура Лейденфроста не связана напрямую с поверхностным натяжением жидкости, она косвенно зависит от него через температуру кипения пленки. Для жидкостей с аналогичными теплофизическими свойствами жидкость с более высоким поверхностным натяжением обычно имеет более высокую температуру Лейденфроста.
Например, для насыщенной границы раздела вода-медь температура Лейденфроста составляет 257 ° C (495 ° F). Температуры Лейденфроста для глицерина и обычных спиртов значительно ниже из-за их более низких значений поверхностного натяжения (различия в плотности и вязкости также являются факторами.)
В 2015 году были обнаружены нелетучие материалы, которые также проявляют «реактивный эффект Лейденфроста», при котором твердые частицы плавают над горячими поверхностями и беспорядочно перемещаются. Подробная характеристика реактивного эффекта Лейденфроста была завершена для небольших частиц целлюлозы (~ 0,5 мм) на высокотемпературных полированных поверхностях с помощью высокоскоростной фотографии. Было показано, что целлюлоза разлагается на короткоцепочечные олигомеры, которые плавятся и смачивают гладкие поверхности с увеличением теплопередачи, связанной с повышением температуры поверхности. При температуре выше 675 ° C (1247 ° F) целлюлоза демонстрирует переходное кипение с бурным выделением пузырьков и связанным с этим снижением теплопередачи. Отрыв капли целлюлозы (изображенной справа) наблюдался при температуре выше примерно 750 ° C (1380 ° F), что связано с резким снижением теплопередачи.
Высокоскоростная фотография реактивного эффекта Лейденфроста целлюлозы на пористых поверхностях (макропористый оксид алюминия ) также было показано, что он подавляет реактивный эффект Лейденфроста и увеличивает общую скорость теплопередачи к частице с поверхности. Новое явление «реактивного эффекта Лейденфроста (RL)» характеризовалось безразмерной величиной (φ RL = τ conv / τ rxn), которая связывает постоянная времени теплопередачи твердых частиц к постоянной времени реакции частиц, с реактивным эффектом Лейденфроста, возникающим для 10 < φRL< 10. The reactive Leidenfrost effect with cellulose will occur in numerous high temperature applications with carbohydrate polymers including biomass conversion to биотоплива, приготовления и варки пищи и табака использовать.
В книге Жюля Верна 1876 года Майкл Строгов главный герой спасается от ослепления с помощью горячее лезвие, испаряя слезы.
В финале 7 сезона 2009 года Разрушители мифов, «Mini Myth Mayhem » команда продемонстрировала, что человек может намочить руку и ненадолго окуните его в расплав свинца, не повредив, используя эффект Лейденфроста в качестве научной основы.
Wikimedia Com У mons есть материалы, связанные с эффектом Лейденфроста. |