Лейденфрост эффектісі: сұйықтың ыстық бетте қалықтауы
Leidenfrost effect
Лейденфрост эффектісі: сұйықтың ыстық беткейде бу қабатын жасап, қайнауын баяулату құбылысы. 193°C жоғары температурада су тамшыларының қозғалысын түсіндіреміз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикалық құбылыс
Physical phenomenon
Лейденфрост эффектісі – сұйықтың қайнау температурасынан әлдеқайда жоғары температурадағы қатты дене бетіне жақын орналасқанда, сұйықтықтың тез қайнауына кедерес келтіретін оқшаулағыш бу қабатын құрайтын физикалық құбылыс. Осы күштің нәтижесінде тамшы бетке жанаспай, оның үстінде сәуірлейді. Бұл эффектіні неміс дәрігері Иоганн Готтлоб Лейденфрост «Жалпы судың кейбір қасиеттері туралы трактат» атты еңбегінде сипаттаған. Көбінесе бұл эффектіні пісіру кезінде, қызып тұрған табаға су тамшыларын себіп салғанда байқауға болады. Егер табаның температурасы Лейденфрост нүктесіне – су үшін шамамен 193 °C (379 °F) – тең немесе одан жоғары болса, су таба бетімен жылдам сырғып өтеді және салқын табаға себілген су тамшыларына қарағанда ұзақ уақыт бойы булануға кетеді.
The Leidenfrost effect is a physical phenomenon in which a liquid, close to a solid surface of another body that is significantly hotter than the liquid's boiling point, produces an insulating vapor layer that keeps the liquid from boiling rapidly. Because of this repulsive force, a droplet hovers over the surface, rather than making physical contact with it. The effect is named after the German doctor Johann Gottlob Leidenfrost, who described it in A Tract About Some Qualities of Common Water. This is most commonly seen when cooking, when drops of water are sprinkled onto a hot pan. If the pan's temperature is at or above the Leidenfrost point, which is approximately 193 °C (379 °F) for water, the water skitters across the pan and takes longer to evaporate than it would take if the water droplets had been sprinkled onto a cooler pan.
Егжей-тегжейлер
Бұл эффектіні табаға әртүрлі уақытта су тамшыларын себіс арқылы байқауға болады. Бастапқыда, егер табаның температурасы 100 °C-тан төмен болса, су жайылып, баяу буланады, ал табаның температурасы 100 °C-тан әлдеқайда төмен болса, су сұйық күйде қалады. Табаның температурасы 100 °C-тан жоғары көтерілгенде, су тамшылары табаға тиген кезде сызылдап, тез буланады. Егер температура Лейденфрост нүктесінен асып кетсе, Лейденфрост эффекті пайда болады. Табаға тиген су тамшылары кішкентай шарларға бірігіп, айналып жүреді, бұл температура табаның төмен температурасындағыдан әлдеқайда ұзаққа созылады. Бұл эффект, әрі қарай су тамшыларының осы эффектіні тудыратын жылдамдықпен булануына себеп болғанша жұмыс істейді. Бұл эффекттің пайда болу себебі – Лейденфрост нүктесіне тең немесе одан жоғары температурада су тамшысының төменгі бөлігі ыстық табаға тиісімен бірден буланады. Соның салдарынан пайда болатын газ су тамшысының қалған бөлігін оның үстінде ұстап тұрады, сұйық су мен ыстық табаның тікелей жанасуына жол бермейді. Будың жылу өткізгіштігі металл табадан нашар болғандықтан, таба мен тамшы арасындағы жылу алмасуы күрт баяулайды. Бұл тамшының астындағы газ қабатында табаның үстімен сырғанауына да мүмкіндік береді. Лейденфрост эффектісінің пайда болатын температурасын болжау қиын. Сұйық тамшысының көлемі бірдей болса да, Лейденфрост нүктесі өте әртүрлі болуы мүмкін, бұл беттің қасиеттеріне және сұйықтықтағы қоспаларға байланысты. Жүйенің теориялық моделі зерттелген, бірақ ол өте күрделі. Бұл эффектті Виктория дәуіріндегі бу қазандықтарының конструкторы Уильям Фейрберн де сипаттаған, оның пікірінше, бұл эффект ыстық темір беттен суға, мысалы қазандық ішінде, жылу беруді қысқартады. Ол қазандықтарды жобалау туралы лекцияларында Пьер Ипполит Бутиньидің (1798–1884) және Лондон Корольдік колледжінің профессоры Боуменнің жұмыстарын атады. Қазандық оттықшасындағы төмен температурада 152 секунд бойы сақталған су тамшысы бірден буланып кетсе, нәтижесінде су тез булануы мүмкін; Мпемба эффектісімен салыстырыңыз. Баламалы тәсіл – температураны Лейденфрост нүктесінен жоғарылату. Фейрберн де мұны қарастырған және жылдам бу қазандығын ойластырған болуы мүмкін, бірақ сол кездегі техникалық қиындықтарды жеңуге болмайтынын санады. Лейденфрост нүктесін де тамшының ең ұзақ уақытқа ұшып тұратын температурасы деп қарастыруға болады. Судың Лейденфрост бу қабатын супергидрофобтық беттерді пайдалану арқылы тұрақтандыруға болатыны көрсетілді. Мұндай жағдайда, бу қабаты құрылғаннан кейін, салқындату қабатты бұзбайды және ядролық қайнау болмайды; қабат керісінше, бет салқындағанша баяу демалады. Әртүрлі қайнау температуралары бар әртүрлі сұйықтықтардың тамшылары да бір-біріне қатысты Лейденфрост эффектін көрсетеді және бір-бірін итермелейді. Лейденфрост эффектісі жоғары сезімталдықты қоршаған ортаның массалық спектрометриясын жасау үшін қолданылды. Лейденфрост жағдайының әсерінен левитацияланатын тамшы молекулаларды шығармайды және молекулалар тамшы ішінде шоғырланады. Тамшының булануының соңғы сәтінде барлық шоғырланған молекулалар қысқа уақыт ішінде босатылады, осылайша сезімталдық артады. Лейденфрост эффектісіне негізделген жылу машинасының прототипі жасалды; оның ең үлкен артықшылығы – өте төмен үйкеліс. Бұл эффект бет бөлме температурасында болған кезде де қолданылады, бірақ сұйықтық криогенді, сұйық азот тамшыларының ашық теріге зиянсыз түрде құлап кетуіне мүмкіндік береді. Керісінше, кері Лейденфрост эффектісі салыстырмалы түрде жылы сұйық тамшыларын сұйық азот ваннасында левитациялайды.
The effect can be seen as drops of water are sprinkled onto a pan at various times as it heats up. Initially, as the temperature of the pan is just below 100 °C (212 °F), the water flattens out and slowly evaporates, or if the temperature of the pan is well below 100 °C (212 °F), the water stays liquid. As the temperature of the pan rises above 100 °C (212 °F), the water droplets hiss when touching the pan, and these droplets evaporate quickly. When the temperature exceeds the Leidenfrost point, the Leidenfrost effect appears. On contact with the pan, the water droplets bunch up into small balls of water and skitter around, lasting much longer than when the temperature of the pan was lower. This effect works until a much higher temperature causes any further drops of water to evaporate too quickly to cause this effect. The effect happens because, at temperatures at or above the Leidenfrost point, the bottom part of the water droplet vaporizes immediately on contact with the hot pan. The resulting gas suspends the rest of the water droplet just above it, preventing any further direct contact between the liquid water and the hot pan. As steam has much poorer thermal conductivity than the metal pan, further heat transfer between the pan and the droplet is slowed down dramatically. This also results in the drop being able to skid around the pan on the layer of gas just under it. The temperature at which the Leidenfrost effect appears is difficult to predict. Even if the volume of the drop of liquid stays the same, the Leidenfrost point may be quite different, with a complicated dependence on the properties of the surface, as well as any impurities in the liquid. Some research has been conducted into a theoretical model of the system, but it is quite complicated. The effect was also described by the Victorian steam boiler designer, William Fairbairn, in reference to its effect on massively reducing heat transfer from a hot iron surface to water, such as within a boiler. In a pair of lectures on boiler design, he cited the work of Pierre Hippolyte Boutigny (1798–1884) and Professor Bowman of King's College, London, in studying this. A drop of water that was vaporized almost immediately at persisted for 152 seconds at Lower temperatures in a boiler firebox might evaporate water more quickly as a result; compare Mpemba effect. An alternative approach was to increase the temperature beyond the Leidenfrost point. Fairbairn considered this, too, and may have been contemplating the flash steam boiler, but considered the technical aspects insurmountable for the time. The Leidenfrost point may also be taken to be the temperature for which the hovering droplet lasts longest. It has been demonstrated that it is possible to stabilize the Leidenfrost vapor layer of water by exploiting superhydrophobic surfaces. In this case, once the vapor layer is established, cooling never collapses the layer, and no nucleate boiling occurs; the layer instead slowly relaxes until the surface is cooled. Droplets of different liquids with different boiling temperatures will also exhibit a Leidenfrost effect with respect to each other and repel each other. The Leidenfrost effect has been used for the development of high sensitivity ambient mass spectrometry. Under the influence of the Leidenfrost condition, the levitating droplet does not release molecules, and the molecules are enriched inside the droplet. At the last moment of droplet evaporation, all the enriched molecules release in a short time period and thereby increase the sensitivity. A heat engine based on the Leidenfrost effect has been prototyped; it has the advantage of extremely low friction. The effect also applies when the surface is at room temperature but the liquid is cryogenic, allowing liquid nitrogen droplets to harmlessly roll off exposed skin. Conversely, the inverse Leidenfrost effect lets drops of relatively warm liquid levitate on a bath of liquid nitrogen.
Лейнден мұздық температурасы мен беткі кернеу әсерлері
Лейденфрост температурасы – берілген қатты-сұйық жұптың қасиеті. Сұйықтың Лейденфрост құбылысына ұшыраған қатты бетінің температурасы Лейденфрост температурасы деп аталады. Лейденфрост температурасын есептеу сұйықтың ең төменгі қабықша қайнау температурасын есептеуді қамтиды. Беренсон ең төменгі жылу ағыны аргументтерінен ең төменгі қабықша қайнау температурасы үшін қатынас алды. Жоғарыдағы сілтемеде кездесетін ең төменгі қабықша қайнау температурасы үшін теңдеу өте күрделі болғанымен, оның ерекшеліктерін физикалық тұрғыдан түсінуге болады. Назарға алу қажеттің бірі – беттік кернеу. Ең төменгі қабықша қайнау температурасы мен беттік кернеу арасындағы пропорционалдық қатынас күтіледі, себебі жоғары беттік кернеуі бар сұйықтықтарға ядролық қайнаудың басталуы үшін жылу ағынының жоғары деңгейі қажет. Қабықша қайнауы ядролық қайнаудан кейін болатындықтан, қабықша қайнауының ең төменгі температурасы беттік кернеуге пропорционалды түрде тәуелді болуы керек. Генри Лейденфрост құбылысының моделін жасады, ол уақытша ылғалдану және микроқабаттың булануын қамтиды. Лейденфрост құбылысы қабықша қайнауының ерекше жағдайы болғандықтан, Лейденфрост температурасы қолданылатын қатты дененің қасиеттерін ескеретін қатынас арқылы ең төменгі қабықша қайнау температурасына байланысты. Лейденфрост температурасы сұйықтың беттік кернеуіне тікелей байланысты болмаса да, ол қабықша қайнау температурасы арқылы оған жанама тәуелді. Термофизикалық қасиеттері ұқсас сұйықтықтар үшін, жоғары беттік кернеуі бар сұйықтық әдетте жоғары Лейденфрост температурасына ие болады. Мысалы, қаныққан су-мыс интерфейсі үшін Лейденфрост температурасы… Глицерин мен әдеттегі спирттердің Лейденфрост температурасы олардың төменгі беттік кернеу мәндеріне байланысты айтарлықтай кішідірек (тығыздық пен тұтқырлықтың айырмашылықтары да әсер етеді).
The Leidenfrost temperature is the property of a given set of solid–liquid pair. The temperature of the solid surface beyond which the liquid undergoes the Leidenfrost phenomenon is termed the Leidenfrost temperature. Calculation of the Leidenfrost temperature involves the calculation of the minimum film boiling temperature of a fluid. Berenson obtained a relation for the minimum film boiling temperature from minimum heat flux arguments. While the equation for the minimum film boiling temperature, which can be found in the reference above, is quite complex, the features of it can be understood from a physical perspective. One critical parameter to consider is the surface tension. The proportional relationship between the minimum film boiling temperature and surface tension is to be expected, since fluids with higher surface tension need higher quantities of heat flux for the onset of nucleate boiling. Since film boiling occurs after nucleate boiling, the minimum temperature for film boiling should have a proportional dependence on the surface tension. Henry developed a model for Leidenfrost phenomenon which includes transient wetting and microlayer evaporation. Since the Leidenfrost phenomenon is a special case of film boiling, the Leidenfrost temperature is related to the minimum film boiling temperature via a relation which factors in the properties of the solid being used. While the Leidenfrost temperature is not directly related to the surface tension of the fluid, it is indirectly dependent on it through the film boiling temperature. For fluids with similar thermophysical properties, the one with higher surface tension usually has a higher Leidenfrost temperature. For example, for a saturated water–copper interface, the Leidenfrost temperature is The Leidenfrost temperatures for glycerol and common alcohols are significantly smaller because of their lower surface tension values (density and viscosity differences are also contributing factors.)
Реактивті Лейденфрост эффектісі
2015 жылы ұшпайтын материалдарда «реактивті Лейденфрост эффектісі» деп аталатын құбылыс анықталды, онда қатты бөлшектердің ыстық беттердің үстінде сөгіп, хаотикалық түрде қозғалатыны байқалды. Целлюлозаның кеуекті беттердегі (макропорозды алюминий) реактивті Лейденфрост эффектісінің жоғары жылдамдықты фотосуретке түсірілуі, реактивті Лейденфрост эффектісін басады және бөлшектен бетке жалпы жылу беру жылдамдығын арттырады. «Реактивті Лейденфрост (RL) эффектісі» деген жаңа құбылыс өлшемсіз шамамен сипатталды (φRL = τconv / τrxn), ол қатты бөлшектің жылу беру уақыт тұрақтысын бөлшектің реакция уақыт тұрақтысына қатыстырады, реактивті Лейденфрост эффектісі 10−1 < φRL < 10+1 диапазонында пайда болады. Целлюлозамен реактивті Лейденфрост эффектісі көмірсутекті полимерлерді қолданатын көптеген жоғары температуралық қолданыстарда, оның ішінде биомассаны биоотынға түрлендіруде, тағам дайындау және пісіруде, темекі өнімдерінде қолданылады, сондай-ақ диэтил карбонат және глицерин сияқты заттарда да кездеседі.
Non volatile materials were discovered in 2015 to also exhibit a 'reactive Leidenfrost effect', whereby solid particles were observed to float above hot surfaces and skitter around erratically. High speed photography of the reactive Leidenfrost effect of cellulose on porous surfaces (macroporous alumina) was also shown to suppress the reactive Leidenfrost effect and enhance overall heat transfer rates to the particle from the surface. The new phenomenon of a 'reactive Leidenfrost (RL) effect' was characterized by a dimensionless quantity, (φRL= τconv/τrxn), which relates the time constant of solid particle heat transfer to the time constant of particle reaction, with the reactive Leidenfrost effect occurring for 10−1< φRL< 10+1. The reactive Leidenfrost effect with cellulose will occur in numerous high temperature applications with carbohydrate polymers, including biomass conversion to biofuels, preparation and cooking of food, and tobacco use. diethyl carbonate, and glycerol.
Танымал мәдениетте
Жюль Верннің 1876 жылы жарық көрген "Майкл Строгофф" кітабында басты кейіпкер, қызған пышақпен соқыр болудан алдын ала төгілген жас арқасында құтылады. 2009 жылғы MythBusters бағдарламасының 7-ші маусымының соңғы эпизодында, "Мини Миф Мейхем" атты эпизодта, команда адамның қолын ылғалдап, оны қысқа мерзімге еріген қорғасынға батырса, Лейденфрост эффектісінің ғылыми негізінде зақымсыз қалуға болатынын көрсетті.
In Jules Verne's 1876 book Michael Strogoff, the protagonist is saved from being blinded with a hot blade by evaporating tears. In the 2009 season 7 finale of MythBusters, "Mini Myth Mayhem", the team demonstrated that a person can wet their hand and briefly dip it into molten lead without injury, using the Leidenfrost effect as the scientific basis.