Эффект Лейденфроста: физическое явление парения жидкости
Leidenfrost effect
Эффект Лейденфроста: явление, когда жидкость парит над раскалённой поверхностью из-за образующегося парового слоя. Объяснение, примеры и температура Лейденфроста.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Физическое явление
Physical phenomenon
Эффект Лейденфроста — это физическое явление, при котором жидкость, находящаяся вблизи твердой поверхности тела, значительно более горячего, чем точка кипения этой жидкости, образует изолирующий слой пара, препятствующий быстрому кипению. Благодаря этой силе отталкивания капля парит над поверхностью, не касаясь её. Эффект назван в честь немецкого врача Иоганна Готлоба Лейденфроста, описавшего его в трактате «О некоторых свойствах обычной воды» (A Tract About Some Qualities of Common Water). Наиболее часто это можно наблюдать при приготовлении пищи, когда капли воды попадают на раскалённую сковороду. Если температура сковороды достигает или превышает точку Лейденфроста, которая для воды составляет приблизительно 193 °C (379 °F), вода скользит по поверхности и испаряется медленнее, чем если бы капли попали на менее нагретую сковороду.
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.
Подробности
Это можно увидеть, когда капли воды посыпаются на сковороду в разное время по мере её нагревания. Изначально, если температура сковороды лишь немного ниже 100 °C (212 °F), вода растекается и медленно испаряется, а если температура сковороды значительно ниже 100 °C (212 °F), вода остаётся в жидком состоянии. Когда температура сковороды поднимается выше 100 °C (212 °F), капли воды шипят при соприкосновении со сковородой и быстро испаряются. При превышении температуры точки Лейденфроста возникает эффект Лейденфроста. При контакте со сковородой капли воды собираются в небольшие шарики и скользят по поверхности, сохраняясь значительно дольше, чем при более низкой температуре сковороды. Этот эффект сохраняется до тех пор, пока дальнейшее повышение температуры не приведёт к слишком быстрому испарению последующих капель воды, чтобы эффект проявился. Эффект возникает потому, что при температурах, равных или превышающих точку Лейденфроста, нижняя часть капли воды мгновенно испаряется при контакте с горячей сковородой. Образующийся газ удерживает остальную часть капли воды чуть выше поверхности, предотвращая прямой контакт между жидкой водой и горячей сковородой. Поскольку теплопроводность пара значительно ниже, чем у металлической сковороды, дальнейшая передача тепла между сковородой и каплей существенно замедляется. Это также позволяет капле скользить по сковороде на слое газа, находящемся под ней. Температуру, при которой проявляется эффект Лейденфроста, трудно предсказать. Даже при неизменном объёме капли жидкости точка Лейденфроста может значительно отличаться, сложно завися от свойств поверхности и любых примесей в жидкости. Проводились исследования теоретической модели системы, но она довольно сложна. Этот эффект также был описан викторианским конструктором паровых котлов Уильямом Фейрберном в связи с его влиянием на значительное снижение теплопередачи от горячей железной поверхности к воде, например, внутри котла. В серии лекций по проектированию котлов он ссылался на работы Пьера Ипполита Бутиньи (1798–1884) и профессора Боумана из Королевского колледжа в Лондоне, изучавших это явление. Капля воды, которая испарялась почти мгновенно, сохранялась в течение 152 секунд при более низких температурах в топке котла, что могло привести к более быстрому испарению воды; сравните с эффектом Мпембы. Альтернативным подходом было повышение температуры выше точки Лейденфроста. Фейрберн также рассматривал эту возможность и, возможно, задумывался о быстродействующем паровом котле, но считал технические аспекты непреодолимыми для того времени. Точку Лейденфроста также можно рассматривать как температуру, при которой зависающая капля сохраняется дольше всего. Было показано, что можно стабилизировать паровой слой воды Лейденфроста, используя супергидрофобные поверхности. В этом случае, после образования парового слоя, охлаждение никогда не разрушает его, и не происходит нуклеатного кипения; слой вместо этого медленно расслабляется, пока поверхность не остынет. Капли различных 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 воздействием условий Лейденфроста левитирующая капля не высвобождает молекулы, и молекулы обогащаются внутри капли. В последний момент испарения капли все обогащённые молекулы высвобождаются за короткий промежуток времени, тем самым повышая чувствительность. Был создан прототип теплового двигателя, основанного на эффекте Лейденфроста, который имеет преимущество в виде чрезвычайно низкого трения. Эффект также применим, когда поверхность находится при комнатной температуре, но жидкость криогенная, что позволяет каплям жидкого азота безопасно скатываться с открытой кожи. И наоборот, обратный эффект Лейденфроста позволяет каплям относительно тёплой жидкости левитировать на ванне с жидким азотом.
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.
Леден температура замерзания и воздействие поверхностного напряжения
Температура Лейденфроста является свойством данной пары твердое тело – жидкость. Температура твердой поверхности, при превышении которой жидкость демонстрирует феномен Лейденфроста, называется температурой Лейденфроста. Расчет температуры Лейденфроста включает в себя расчет минимальной температуры пленочного кипения жидкости. Беренсон вывел соотношение для минимальной температуры пленочного кипения, исходя из аргументов минимального теплового потока. Хотя уравнение для минимальной температуры пленочного кипения, которое можно найти в указанной ссылке, достаточно сложно, его особенности можно понять с физической точки зрения. Один из ключевых параметров, который необходимо учитывать, – это поверхностное натяжение. Пропорциональная зависимость между минимальной температурой пленочного кипения и поверхностным натяжением вполне ожидаема, поскольку жидкостям с более высоким поверхностным натяжением требуется больший тепловой поток для начала нуклеатного кипения. Поскольку пленочное кипение происходит после нуклеатного кипения, минимальная температура для пленочного кипения должна иметь пропорциональную зависимость от поверхностного натяжения. Генри разработал модель феномена Лейденфроста, включающую переходное смачивание и испарение микрослоя. Поскольку феномен Лейденфроста является частным случаем пленочного кипения, температура Лейденфроста связана с минимальной температурой пленочного кипения посредством соотношения, учитывающего свойства используемого твердого тела. Хотя температура Лейденфроста не связана напрямую с поверхностным натяжением жидкости, она косвенно зависит от него через температуру пленочного кипения. Для жидкостей с близкими термофизическими свойствами жидкость с более высоким поверхностным натяжением обычно имеет более высокую температуру Лейденфроста. Например, для насыщенного интерфейса вода–медь температура Лейденфроста составляет… Температуры Лейденфроста для глицерина и обычных спиртов значительно ниже из-за их меньших значений поверхностного натяжения (различия в плотности и вязкости также вносят свой вклад).
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.)
Реактивный эффект Лейденфроста
В 2015 году было обнаружено, что нелетучие материалы также демонстрируют "реактивный эффект Лейденфроста", при котором наблюдается зависание твердых частиц над горячими поверхностями и их хаотичное скольжение. Высокоскоростная съемка реактивного эффекта Лейденфроста целлюлозы на пористых поверхностях (макропористом оксиде алюминия) также показала подавление этого эффекта и увеличение общей скорости теплопередачи от поверхности к частице. Новое явление "реактивного эффекта Лейденфроста (RL)" характеризуется безразмерной величиной (φRL = τconv / τrxn), которая соотносит постоянную времени теплопередачи твердой частицы с постоянной времени реакции частицы, причем реактивный эффект Лейденфроста наблюдается при 10−1 < φRL < 10+1. Реактивный эффект Лейденфроста с целлюлозой будет проявляться в многочисленных высокотемпературных приложениях с углеводными полимерами, включая конверсию биомассы в биотопливо, приготовление и обработку пищевых продуктов, а также использование табака, диэтилкарбоната и глицерина.
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.
В популярной культуре
В книге Жюля Верна "Михаил Строгофф" (1876) главный герой избегает ослепления раскалённым клинком благодаря испаряющимся слезам. В финале седьмого сезона 2009 года телешоу "Разрушители мифов" ("Mini Myth Mayhem") команда продемонстрировала, что человек может смочить руку и кратковременно погрузить её в расплавленный свинец, не получив травм, используя эффект Лейденфроста как научное объяснение.
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.