Эффект Лейденфроста

Капля жидкости под воздействием эффекта Лейденфроста

Эффект Лейденфроста— это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем точка кипения этой жидкости, создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого выкипания. В повседневной жизни явление проще всего наблюдать при приготовлении пищи: для оценки температуры сковороды на неё брызгают водой — если температура достигла или уже выше точки Лейденфроста, вода соберётся в капли, которые будут «скользить» по поверхности металла и испаряться дольше, чем если бы это происходило в сковороде, нагретой сильнее точки кипения воды, но ниже точки Лейденфроста. Этот же эффект отвечает за подобное поведение жидкого азота, пролитого на пол. Наиболее зрелищные его демонстрации довольно опасны: например, погружение мокрых пальцев в расплавленный свинец^[1] или даже выплёвывание жидкого азота/пускание колечек испаряющегося азота.^[2] Последнее, более того, может привести к смерти.^[3] В 2005 г. голландские физики показали экспериментально и описали модель эффекта в сыпучих средах.^[4]

Явление названо в честь Иоганна Готлоба Лейденфроста, который затронул данную проблему в «Трактате о некоторых свойствах обыкновенной воды» в 1756 году, хотя до него феномен наблюдал как минимум Бургаве в 1732-м.

Описание эффекта

Демонстрация эффекта Лейденфроста

Как говорилось выше, в случае с водой эффект можно наблюдать, капая на сковороду по мере её нагревания. Вначале, когда температура поверхности ниже 100 °C, вода просто растекается по ней и постепенно испаряется. По достижении 100 градусов капли будут испаряться с шипением и куда быстрее. Далее, после того как температура проходит точку Лейденфроста, начинает проявляться означенный эффект: при контакте со сковородой капли собираются в маленькие шарики и перемещаются по ней — вода находится в сковороде значительно дольше, чем при более низких температурах. Явление наблюдается до тех пор, пока температура не станет настолько большой, что капли начнут испаряться слишком быстро для его проявлений.

Основная причина — при температурах выше точки Лейденфроста нижняя часть капли мгновенно испаряется при контакте с горячей поверхностью. Получающийся газ поддерживает оставшуюся часть капли над ней, предотвращая дальнейшее прямое соприкосновение между жидкой водой и горячим телом. Так как теплопроводность пара значительно ниже, теплообмен между каплей и сковородой замедляется, это позволяет капле «ездить» по сковороде на слое газа под ней.

Поведение воды на горячей пластине. На графике показан поток тепла в зависимости от температуры после точки кипения. Эффект проявляется после т. н. переходного кипения (transition boiling).

Температуру, при которой начинает работать эффект, непросто предсказать заранее. Даже если объём жидкости остаётся постоянным, точка Лейденфроста может меняться в сложной зависимости от свойств поверхности, а также примесей в жидкости. Некоторые исследования всё же проводились на теоретической модели системы, что, однако, оказалось весьма затруднительным.^[5] Одна из довольно грубых оценок даёт значение точки Лейденфроста для воды на сковороде в 193 °C.

Явление было также описано выдающимся конструктором паровых котлов Викторианской эпохи Уильямом Фэйрбэрном, который видел в нём причину сильного уменьшения теплообмена между горячим железом и водой в паровом котле. В двух лекциях по конструкции котлов^[6] он цитировал работу, в которой капля, почти мгновенно испарявшаяся при температуре 168 °C, сохранялась в течение 152 секунд при 202 °C. Получалось, что при более низких температурах в топке вода может испаряться даже быстрее (сравните с эффектом Мпембы). Вариант с повышением температуры за точку Лейденфроста также рассматривался Фэйрбэрном, что должно было бы привести его к созданию котлов, наподобие используемых в паромобилях, однако, возможности техники того времени вряд ли это позволяли.

За точку Лейденфроста также можно принять температуру, при которой «левитация» капли длится наибольшее время.^[7]

Точка Лейденфроста

Точка Лейденфроста указывает начало устойчивого парообразование с появлением плёнки газа вокруг жидкости. Это точка на кривой парообразования, где поток тепла достигает минимальных значений, а вся поверхность покрыта слоем газа. Теплообмен между жидкостью и нагретой поверхностью происходит благодаря теплопроводности и излучению в процессе испарения. В 1756 г. Лейденфрост наблюдал, как капли на тонком слое пара медленно испаряются по мере движения по поверхности. С возрастанием температуры поверхности излучение через плёнку становится заметнее, возрастает и поток тепла.

Минимальное значение потока тепла можно вывести из уравнения Зубера,^[7]

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

где все величины взяты при температуре кипения. Константа Зубера, C, равна примерно 0,09 для большинства жидкостей около нормального давления.

Соотношения теплообмена

Коэффициент теплообмена может быть примерно вычислен из уравнения Бромли для стабильного плёночного кипения,^[7]

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

где, ${{D}_{o}}$ — внешний диаметр трубки. Значение константы C — 0.62 для горизонтальных цилиндров и вертикальных пластин и 0.67 для сфер. Параметры пара взяты для температуре плёнки.

Для стабильного плёночного кипения на горизонтальной поверхности Беренсон изменил уравнение Бромли следующим образом,^[8]

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

Для вертикальных трубок Су и Вэстуотер предложили следующее уравнение,^[8]

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

где m — поток в $l{{b}_{m}}/hr$ (фунтах на метр в час) через верхний конец трубки

При температурах выше тех, где наблюдается минимальный поток тепла, становится заметной компонента излучения, доминирующая при ещё более высоких температурах. Общий коэффициент теплообмена, следовательно, лучше брать как комбинацию двух упомянутых. Бромли предложил следующие уравнения для внешних поверхностей горизонтальных трубок.

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

If ${{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}$,

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

Коэффициент эффективного излучения, ${{h}_{rad}}$ может быть выражен как,

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

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

В популярной культуре

В сезоне 2009 г. сериала Разрушители легенд Адам и Джейми успешно провели опыт с пальцем и расплавленным свинцом без каких-либо травм.

См. также

Примечания

1. ↑ CSI | The Physics Behind Four Amazing Demonstrations
2. ↑ http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
3. ↑ Student Gulps Into Medical Literature — WPI
4. ↑ Открыт эффект Лейденфроста в сыпучих материалах
5. ↑ Bernardin and Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point, " Transactions of the ASME, (Vol. 124, Oct. 2002)
6. ↑ Sir William Fairbairn Two Lectures: The Construction of Boilers, and on Boiler Explosions, with the means of prevention. — 1851.
7. ↑ ^{1 2 3} Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th edition.
8. ↑ ^{1 2} James R. Welty; Charles E. Wicks; Robert E. Wilson; Gregory L. Rorrer., «Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer» 5th edition, John Wiley and Sons

Ссылки

	Эффект Лейденфроста на Викискладе?

• Essay about the effect and demonstrations by Jearl Walker (PDF)
• Site with high-speed video, pictures and explanation of film-boiling by Heiner Linke at the University of Oregon, USA
• «Scientists make water run uphill» by BBC News about using the Leidenfrost effect for cooling of computer chips.
• «Uphill Water» — ABC Catalyst story