Точка Ляйденфроста

Ефект Ляйденфроста (або Ефект Лейденфроста) — явище, при якому рідина в контакті з тілом, що має температуру значно вищу за точку кипіння цієї рідини, створює ізолюючий шар пари, який запобігає швидкому викіпанню рідини.

Демонстрація ефекту Ляйденфроста

Явище названо на честь ^[en], який порушив цю проблему в «Трактаті про деякі властивості звичайної води» в 1756 році, хоча до нього цей феномен досліджував Герман Бургаве в 1732 році.

У повсякденному житті явище найкраще спостерігати при приготуванні їжі: для оцінки температури сковороди на неї бризкають водою — якщо температура досягла або вже є вищою за точку Ляйденфроста, вода збереться в краплі, які будуть «ковзати» по поверхні металу і випаровуватися довше, ніж якби це відбувалося на сковороді, що нагріта вище точки кипіння води, але нижче точки Ляйденфроста. Цей же ефект відповідає за подібну поведінку рідкого азоту, пролитого на підлогу.

Найбільш видовищні його демонстрації досить небезпечні: наприклад, занурення мокрих пальців в розплавлений свинець, опускання руки в розплавлену сталь або випльовування рідкого азоту/пускання кілець випарів азоту. Останнє може призвести до смерті.

У 2005 році голландські фізики показали експериментально і описали модель ефекту в сипучих середовищах.

Опис ефекту

Демонстрація ефекту Ляйденфроста

Випльовування рідкого азоту

Як говорилося вище, у випадку з водою ефект можна спостерігати, капаючи на сковороду по мірі її нагрівання. Спочатку, коли температура поверхні нижча 100 °C, вода просто розтікається по ній і поступово випаровується. По досягненні 100 °C краплі будуть випаровуватися з шипінням і набагато швидше. Далі, після того як температура проходить точку Ляйденфроста, починає проявлятися зазначений ефект: при контакті з пательнею краплі збираються в маленькі кульки і переміщуються по ній — вода знаходиться в пательні значно довше, ніж при більш низьких температурах. Явище спостерігається до тих пір, поки температура не стане настільки великою, що краплі почнуть випаровуватися занадто швидко для його проявів.

Основна причина — при температурах, що вищі точки Лейденфроста, нижня частина краплі миттєво випаровується при контакті з гарячою поверхнею. Отриманий в результаті газ підтримує частину краплі над нею, запобігаючи подальшому прямому контакту між рідкою водою і гарячим тілом. Так як теплопровідність пари значно нижча, теплообмін між краплею і пательнею сповільнюється, це дозволяє краплі «їздити» по пательні на шарові з газу під нею.

Поведінка води на гарячій пластині. На графіку показаний потік тепла в залежності від температури після точки кипіння. Ефект проявляється після т. зв. перехідного кипіння (transition boiling).

Температуру, при якій починає працювати ефект, непросто передбачити заздалегідь. Навіть якщо об'єм рідини залишається постійним, точка Ляйденфроста може змінюватися в складній залежності від властивостей поверхні, а також домішок у рідині. Деякі дослідження все ж проводилися на теоретичній моделі системи, що, однак, виявилося досить складним. Одна з досить грубих оцінок дає значення точки Лейденфроста для води на пательні в 193 °C.

Явище було також описано видатним конструктором парових котлів Вікторіанської епохи ^[en], який бачив в ньому причину сильного зменшення теплообміну між гарячим залізом і водою в паровому котлі. У двох лекціях з конструкції котлів він цитував роботу, в якій крапля, що майже миттєво випаровувалася при температурі 168 °C, зберігалася протягом 152 секунд при 202 °C: виходило, що при більш низьких температурах в топці вода може випаровуватися навіть швидше. Варіант з підвищенням температури за точку Лейденфроста також розглядався Фейрберном, що повинно було б привести його до створення котлів, на зразок тих, що використовуються в паромобілях, однак, можливості техніки того часу навряд чи це дозволяли.

За точку Ляйденфроста також можна прийняти температуру, при якій «левітація» краплі триває найдовший час.

Точка Ляйденфроста

Точка Ляйденфроста вказує початок сталого пароутворення з появою плівки газу навколо рідини. Це точка на кривій пароутворення, де потік тепла досягає мінімальних значень, а вся поверхня покрита шаром газу. Теплообмін між рідиною і нагрітою поверхнею відбувається завдяки теплопровідності і випромінюванню в процесі випаровування. В 1756 році Ляйденфрост спостерігав, як краплі на тонкому шарі пару повільно випаровуються по мірі руху по поверхні. Зі зростанням температури поверхні, випромінювання через плівку стає помітніший, зростає й потік тепла.

Мінімальне значення потоку тепла можна вивести з рівняння Зубера:

${\displaystyle {\frac {q}{A}}_{\text{min}}=Ch_{fg}\rho _{v}\left[{\frac {\sigma g(\rho _{L}-\rho _{v})}{(\rho _{L}-\rho _{v})^{2}}}\right]^{\frac {1}{4}},}$

де всі величини взяті при температурі кипіння. Константа Зубера, C, дорівнює приблизно 0,09 для більшості рідин за нормального тиску.

Співвідношення теплообміну

Коефіцієнт теплообміну може бути приблизно обрахований з ^[en] для стабільного плівкового кипіння:

${\displaystyle h=C\left[{\frac {k_{v}^{3}\rho _{v}g(\rho _{L}-\rho _{v}){\big (}h_{fg}+0{,}4c_{pv}(T_{s}-T_{\text{sat}}){\big )}}{D_{o}\mu _{v}(T_{s}-T_{\text{sat}})}}\right]^{\frac {1}{4}},}$

де ${\displaystyle D_{o}}$ — зовнішній діаметр трубки. Значення константи C — 0,62 для горизонтальних циліндрів і вертикальних пластин і 0,67 для сфер. Параметри пари взяті для температури плівки.

Для стабільного плівкового кипіння на горизонтальній поверхні Беренсон змінив рівняння Бромлі наступним чином:

${\displaystyle h=0{,}425\left[{\frac {k_{vf}^{3}\rho _{vf}g(\rho _{L}-\rho _{v}){\big (}h_{fg}+0{,}4c_{pv}(T_{s}-T_{\text{sat}}){\big )}}{\mu _{vf}(T_{s}-T_{\text{sat}}){\sqrt {\sigma /g(\rho _{L}-\rho _{v})}}}}\right]^{\frac {1}{4}}.}$^{[прояснити]}

Для вертикальних трубок Су і Вестуотер запропонували наступне рівняння:

${\displaystyle h\left[{\frac {\mu _{v}^{2}}{g\rho _{v}(\rho _{L}-\rho _{v})k_{v}^{3}}}\right]^{\frac {1}{3}}=0{,}0020\left[{\frac {4m}{\pi D_{v}\mu _{v}}}\right]^{0{,}6},}$

де m — потік в lb·m/h (фунтах на метр за годину) через верхній кінець трубки.

При температурах вище тих, де спостерігається мінімальний потік тепла, стає помітною компонента випромінювання, що домінує при ще більш високих температурах. Отже, загальний коефіцієнт теплообміну краще брати як комбінацію двох згаданих. Бромлі запропонував наступні рівняння для зовнішніх поверхонь горизонтальних трубок:

${\displaystyle h^{\frac {4}{3}}=h_{\text{conv}}^{\frac {4}{3}}+h_{\text{rad}}h^{\frac {1}{3}},}$

якщо^{[прояснити]} ${\displaystyle h_{\text{rad}}<h_{\text{conv}}}$,

${\displaystyle h=h_{\text{conv}}+{\tfrac {3}{4}}h_{\text{rad}}.}$

Коефіцієнт ефективного випромінювання, ${\displaystyle h_{\text{rad}}}$ може бути виражений як

${\displaystyle h_{\text{rad}}={\frac {\varepsilon \sigma (T_{s}^{4}-T_{\text{sat}}^{4})}{(T_{s}-T_{\text{sat}})}},}$

де ${\displaystyle \varepsilon }$ — випромінювальна здатність тіла, і ${\displaystyle \sigma }$ — стала Стефана-Больцмана.

Примітки

1. И. Г. Лейденфрост. Трактат о некоторых свойствах обыкновенной воды = Johann Gottlob Leidenfrost. De aquae communis nonnullis qualitatibus. — Duisburg, 1756.
2. . Архів оригіналу за 15 серпня 2009. Процитовано 13 травня 2016.
3. Рипс, Самуил Маркович. (1969 г., № 5 (май)). (рос.). журнал «Техника — молодежи». с. с. 2. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 26 січня 2013. В конце прошлого века на сталелитейных заводах опытные рабочие иногда показывали новичкам фокус: на мгновение опускали руку в расплавленную сталь. Интенсивное парообразование на доли секунды предохраняло кожу от ожога. {{}}: |pages= має зайвий текст ()
4. (рос.). журнал «Металлоснабжение и сбыт». Архів оригіналу за 20 липня 2017. Процитовано 26 січня 2013. Французского фокусника , жившего в XIX в., называли королем иллюзионистов. В его репертуаре были чисто факирские номера с расплавленным и раскаленным металлом. Он бесстрашно опускал руку в расплавленное олово, умывался им и даже полоскал расплавленным железом рот, прикладывал к своему лицу железный прут, раскаленный докрасна. Частично его подвиги совершают некоторые современные сталевары, которые могут голой рукой пересечь струю расплавленной стали. Мгновенно образующаяся при этом паровая плёнка на руке защищает её от сильнейшего ожога. Вероятно, в этом и заключались фокусы Робера-Гудэна.
5. (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 13 грудня 2019. Процитовано 13 травня 2016.{{}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title ()
6. . Архів оригіналу за 22 лютого 2014. Процитовано 13 травня 2016.
7. . Архів оригіналу за 13 травня 2016. Процитовано 13 травня 2016.
8. Bernardin and Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point, " Transactions of the ASME, (Vol. 124, Oct. 2002)
9. (1851). . Архів оригіналу за 29 листопада 2014. Процитовано 13 травня 2016.
10. Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th edition.
11. 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

Посилання

• Essay about the effect and demonstrations by Jearl Walker [ 8 вересня 2020 у Wayback Machine.] (PDF)
• by Heiner Linke at the University of Oregon, USA
• «Scientists make water run uphill» [ 30 листопада 2017 у Wayback Machine.] by BBC News about using the Leidenfrost effect for cooling of computer chips.
• «Uphill Water» [ 8 травня 2016 у Wayback Machine.] — ABC Catalyst story
• «Кипение. [ 30 квітня 2016 у Wayback Machine.] Эффект Лейденфроста / Boiling. [ 30 квітня 2016 у Wayback Machine.] Leidenfrost effect» [ 30 квітня 2016 у Wayback Machine.] — журнал Химия и Химики
• Демонстрація Ефекту Ляйденфроста. Божевільний трюк. [ 12 жовтня 2016 у Wayback Machine.]