Эффект Лейденфроста

Капля Лейденфроста

Демонстрация эффекта Лейденфроста

Эффект Лейденфроста от одной капли воды

Эффект Лейденфроста — это физическое явление жидкости , при котором жидкость, находящаяся вблизи твердой поверхности другого тела, температура которой значительно превышает температуру кипения , образует изолирующий слой пара , который удерживает жидкость от быстрого кипения . Из-за этой силы отталкивания капля зависает над поверхностью, а не вступает с ней в физический контакт. Эффект назван в честь немецкого врача Иоганна Готлоба Лейденфроста , который описал его в «Трактате о некоторых качествах обычной воды» .

Чаще всего это наблюдается при приготовлении пищи , когда на горячую сковороду капают капли воды. кастрюли Если температура равна или превышает точку Лейденфроста, которая для воды составляет примерно 193 °C (379 °F), вода растекается по кастрюле и испаряется дольше, чем если бы капли воды были разбрызганы на кастрюлю. более прохладная сковорода.

Охлаждающие характеристики традиционной структурированной поверхности и STA при T = 1000 °C

Подробности

Duration: 11 seconds.0:11

Видеоклип, демонстрирующий эффект Лейденфроста

Duration: 1 minute and 19 seconds.1:19

Возбуждение нормальных мод в капле воды при эффекте Лейденфроста

Эффект можно увидеть, когда капли воды капают на сковороду в разное время, пока она нагревается. Первоначально, когда температура кастрюли чуть ниже 100 °C (212 °F), вода выравнивается и медленно испаряется, а если температура кастрюли значительно ниже 100 °C (212 °F), вода остается жидкость. Когда температура кастрюли превышает 100 °C (212 °F), капли воды шипят при касании кастрюли и быстро испаряются. Когда температура превышает точку Лейденфроста, возникает эффект Лейденфроста. При контакте с кастрюлей капли воды собираются в маленькие водяные шарики и разлетаются вокруг, сохраняясь гораздо дольше, чем когда температура кастрюли была ниже. Этот эффект работает до тех пор, пока гораздо более высокая температура не приведет к слишком быстрому испарению дальнейших капель воды, чтобы вызвать этот эффект.

Эффект возникает потому, что при температурах, близких к точке Лейденфроста или выше, нижняя часть капли воды испаряется сразу же при контакте с горячей кастрюлей. Образующийся газ удерживает остальную часть капли воды прямо над ней, предотвращая дальнейший прямой контакт между жидкой водой и горячей кастрюлей. Поскольку пар имеет гораздо меньшую теплопроводность , чем металлическая чаша, дальнейшая передача тепла между чашей и каплей резко замедляется. Это также приводит к тому, что капля может скользить вокруг поддона по слою газа прямо под ним.

Поведение воды на горячей плите. График показывает зависимость теплопередачи (потока) от температуры. Эффект Лейденфроста возникает после переходного кипения.

Температуру, при которой проявляется эффект Лейденфроста, предсказать трудно. Даже если объем капли жидкости остается прежним, точка Лейденфроста может быть совершенно другой, со сложной зависимостью от свойств поверхности, а также от любых примесей в жидкости. Были проведены некоторые исследования теоретической модели системы, но они достаточно сложны.

Эффект был также описан разработчиком паровых котлов викторианской эпохи Уильямом Фэйрберном в отношении его влияния на значительное снижение теплопередачи от поверхности горячего железа к воде, например, внутри котла. В паре лекций по конструкции котлов, он процитировал работу Пьера Ипполита Бутиньи (1798–1884) и профессора Боумена из Королевского колледжа в Лондоне при изучении этого вопроса. Капля воды, которая почти сразу испарилась при температуре 168 °C (334 °F), сохранялась в течение 152 секунд при температуре 202 °C (396 °F). котла более низкие температуры в топке В результате могут привести к более быстрому испарению воды; сравните эффект Мпембы . Альтернативный подход заключался в повышении температуры за пределы точки Лейденфроста. Фэйрберн тоже об этом подумал и, возможно, подумывал о котле с выпарным паром , но считал технические аспекты непреодолимыми для того времени.

Точку Лейденфроста можно также принять за температуру, при которой парящая капля существует 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 слой и пузырькового кипения не происходит; вместо этого слой медленно расслабляется, пока поверхность не остынет.

Капли разных жидкостей с разной температурой кипения также будут проявлять эффект Лейденфроста по отношению друг к другу и отталкиваться.

Эффект Лейденфроста был использован для разработки высокочувствительной масс-спектрометрии окружающей среды. Под действием условия Лейденфроста левитирующая капля не выделяет молекулы, а молекулы обогащаются внутри капли. В последний момент испарения капель все обогащенные молекулы высвобождаются за короткий промежуток времени и тем самым повышают чувствительность.

, тепловой машины Создан прототип основанной на эффекте Лейденфроста; его преимуществом является чрезвычайно низкое трение.

Эффект также распространяется, когда поверхность имеет комнатную температуру, но жидкость криогенна , что позволяет каплям жидкого азота безвредно скатываться с открытой кожи. И наоборот, обратный эффект Лейденфроста позволяет каплям относительно теплой жидкости парить в ванне с жидким азотом.

Лейденфрост-Пойнт

Капля воды, испытывающая эффект Лейденфроста на горячей плите.

Точка Лейденфроста означает начало устойчивого пленочного кипения. Он представляет собой точку на кривой кипения, где тепловой поток минимален, а поверхность полностью покрыта слоем пара. Передача тепла от поверхности к жидкости происходит за счет проводимости и излучения через пар. В 1756 году Лейденфрост заметил, что капли воды, поддерживаемые паровой пленкой, медленно испаряются по мере движения по горячей поверхности. С увеличением температуры поверхности излучение через паровую пленку становится более значительным, а тепловой поток увеличивается с ростом избыточной температуры.

Минимальный тепловой поток для большой горизонтальной пластины можно получить из уравнения Зубера:

$${{\frac {q}{A}}_{min}}=C{{h}_{fg}}{{\rho }_{v}}{{\left[{\frac {\sigma g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)}{{\left({{\rho }_{L}}+{{\rho }_{v}}\right)}^{2}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}$$

где свойства оцениваются при температуре насыщения. постоянная Зубера, $C$, составляет примерно 0,09 для большинства жидкостей при умеренном давлении.

Корреляции теплопередачи

Коэффициент теплопередачи можно аппроксимировать с помощью уравнения Бромли:

$$h=C{{\left[{\frac {k_{v}^{3}{{\rho }_{v}}g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)\left({{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{{D}_{o}}{{\mu }_{v}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}$$

где ${{D}_{o}}$ - внешний диаметр трубки. Константа корреляции C равна 0,62 для горизонтальных цилиндров и вертикальных пластин и 0,67 для сфер. Свойства пара оцениваются при температуре пленки.

Для стабильного пленочного кипения на горизонтальной поверхности Беренсон модифицировал уравнение Бромли так, чтобы оно давало

$$h=0.425{{\left[{\frac {k_{vf}^{3}{{\rho }_{vf}}g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)\left({{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{{\mu }_{vf}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right){\sqrt {\sigma /g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)}}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}$$

Для вертикальных труб Сюй и Вестуотер сопоставили следующее уравнение:

$$h{{\left[{\frac {\mu _{v}^{2}}{g{{\rho }_{v}}\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)k_{v}^{3}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}=0.0020{{\left[{\frac {4m}{\pi {{D}_{v}}{{\mu }_{v}}}}\right]}^{0.6}}$$

где m — массовый расход в $l{{b}_{m}}/hr$ в верхнем конце трубки.

При превышении температуры выше минимального теплового потока вклад излучения становится заметным, а при высоких избыточных температурах он становится доминирующим. Таким образом, общий коэффициент теплопередачи представляет собой комбинацию этих двух значений. Бромли предложил следующие уравнения пленочного кипения с внешней поверхности горизонтальных труб:

$${{h}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}={{h}_{conv}}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}+{{h}_{rad}}{{h}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}$$

Если ${{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}$,

$$h={{h}_{conv}}+{\frac {3}{4}}{{h}_{rad}}$$

Эффективный коэффициент излучения, ${{h}_{rad}}$ может быть выражено как,

$${{h}_{rad}}={\frac {\varepsilon \sigma \left(T_{s}^{4}-T_{sat}^{4}\right)}{\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}$$

где $\varepsilon$ - излучательная способность твердого тела и $\sigma$ – постоянная Стефана–Больцмана.

Поле давления в капле Лейденфроста

Уравнение поля давления в паровой области между каплей и твердой поверхностью можно решить, используя стандартные уравнения импульса и неразрывности . Для простоты решения внутри паровой фазы предполагается линейный профиль температуры и параболический профиль скорости . Предполагается, что передача тепла внутри паровой фазы осуществляется за счет проводимости . С помощью этих приближений можно решить уравнения Навье – Стокса и получить поле давления.

Эффекты температуры Лейденфроста и поверхностного натяжения

Температура Лейденфроста является свойством данного набора пар твердое тело-жидкость. Температура твердой поверхности, за пределами которой жидкость подвергается явлению Лейденфроста, называется температурой Лейденфроста. Расчет температуры Лейденфроста предполагает расчет минимальной температуры пленочного кипения жидкости. Беренсон получили соотношение для минимальной температуры пленочного кипения из соображений минимального теплового потока. Хотя уравнение минимальной температуры пленочного кипения, которое можно найти в приведенной выше ссылке, довольно сложное, его особенности можно понять с физической точки зрения. Одним из важнейших параметров, который следует учитывать, является поверхностное натяжение . Следует ожидать пропорциональной зависимости между минимальной температурой пленочного кипения и поверхностным натяжением, поскольку жидкости с более высоким поверхностным натяжением требуют большего количества теплового потока для начала пузырькового кипения . Поскольку пленочное кипение происходит после пузырькового кипения, минимальная температура пленочного кипения должна иметь пропорциональную зависимость от поверхностного натяжения.

Генри разработал модель явления Лейденфроста, которая включает временное смачивание и испарение микрослоев. Поскольку явление Лейденфроста представляет собой частный случай пленочного кипения, температура Лейденфроста связана с минимальной температурой пленочного кипения соотношением, которое учитывает свойства используемого твердого тела. Хотя температура Лейденфроста не связана напрямую с поверхностным натяжением жидкости, она зависит от него косвенно через температуру пленочного кипения. Для жидкостей со схожими теплофизическими свойствами жидкость с более высоким поверхностным натяжением обычно имеет более высокую температуру Лейденфроста.

Например, для границы раздела насыщенная вода-медь температура Лейденфроста составляет 257 ° C (495 ° F). Температуры Лейденфроста для глицерина и обычных спиртов значительно ниже из-за более низких значений поверхностного натяжения (разница в плотности и вязкости также является способствующими факторами).

Реактивный эффект Лейденфроста

Реактивный эффект Лейденфроста целлюлозы на кремнезем, 750 ° C (1380 ° F)

В 2015 году было обнаружено, что нелетучие материалы также демонстрируют «реактивный эффект Лейденфроста», при котором твердые частицы плавали над горячими поверхностями и беспорядочно носились вокруг. Детальная характеристика реактивного эффекта Лейденфроста была завершена для небольших частиц целлюлозы (~ 0,5 мм) на полированных при высокой температуре поверхностях с помощью высокоскоростной фотографии. Было показано, что целлюлоза разлагается на короткоцепочечные олигомеры , которые плавятся и смачивают гладкие поверхности с увеличением теплопередачи, связанной с увеличением температуры поверхности. Было обнаружено, что при температуре выше 675 ° C (1247 ° F) целлюлоза демонстрирует переходное кипение с сильным пузырьками и связанным с этим снижением теплопередачи. Было замечено, что отрыв капли целлюлозы (изображенной справа) происходит при температуре выше 750 ° C (1380 ° F), что связано с резким снижением теплопередачи.

Было также показано , что высокоскоростная фотография реактивного эффекта Лейденфроста целлюлозы на пористых поверхностях (макропористый оксид алюминия ) подавляет реактивный эффект Лейденфроста и увеличивает общую скорость передачи тепла частице от поверхности. Новое явление «реактивного эффекта Лейденфроста (RL)» характеризовалось безразмерной величиной (φ _RL = τ _conv /τ _rxn ), которая связывает постоянную времени теплопередачи твердых частиц с постоянной времени реакции частиц, при этом реактивный эффект Лейденфроста, происходящий в течение 10 ⁻¹ < φ _RL < 10 ⁺¹ . Реактивный эффект Лейденфроста с целлюлозой будет возникать при многочисленных высокотемпературных применениях с углеводными полимерами, включая преобразование биомассы в биотопливо , приготовление и приготовление пищи, а также употребление табака .

Эффект Лейденфроста также использовался как средство содействия химическому изменению различных органических жидкостей путем их преобразования путем термического разложения в различные продукты. Примеры включают разложение этанола, диэтилкарбонат, и глицерин.

В популярной культуре

В Жюля Верна « книге Михаил Строгов» 1876 года главный герой спасается от ослепления горячим клинком благодаря испаряющимся слезам.

В финале седьмого сезона « Разрушителей мифов» 2009 года , « Мини-разгром мифов », команда продемонстрировала, что человек может намочить руку и ненадолго окунуть ее в расплавленный свинец без травм, используя эффект Лейденфроста в качестве научной основы.

См. также

• Критический тепловой поток
• Парадокс региона-бета

Внешние ссылки

• Эссе об эффекте и демонстрациях Джерла Уокера (PDF)
• Сайт с высокоскоростным видео, фотографиями и объяснениями кипячения пленки Хайнера Линке из Университета Орегона, США.
• «Ученые заставляют воду течь в гору» BBC News об использовании эффекта Лейденфроста для охлаждения компьютерных чипов .
• «Вода в гору» - история ABC Catalyst
• «Лабиринт Лейденфроста» - студенты бакалавриата Университета Бата Кармен Ченг и Мэтью Гай.
• «Когда вода течет в гору» - Научная пятница с Univ. профессора Бата Кей Такашина
• Джеффри, Колин (10 марта 2015 г.). «Двигатель, работающий на замороженном углекислом газе, может обеспечить полет на Марс» . Гизмаг . Проверено 10 марта 2015 г.
• Кэролин Эмбах, ResearchGate: английский перевод Йохана Готлоба Лейденфроста, De aquae comunes nonnullis qualitatibustreatus , Дуйсбург на Рейне, 1756 г. (Кэролин С. Э. Уэрс, она же Кэролин Эмбах, переводчик, 1964 г.)