Эффект Лейденфроста

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
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.

Явление названо в честь Иоганна Готлоба Лейденфроста[en], который затронул данную проблему в «Трактате о некоторых свойствах обыкновенной воды» в 1756 году[1], хотя до него феномен наблюдал как минимум Бургаве в 1732 году.

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[2], опускание руки в расплавленную сталь[3][4] или выплёвывание жидкого азота/пускание колечек испаряющегося азота[5]. Последнее, более того, может привести к смерти[6].

В 2005 году голландские физики показали экспериментально и описали модель эффекта в сыпучих средах.[7]

Описание эффекта[править | править вики-текст]

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 °C 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.[8] 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[9] 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.[10]

Точка Лейденфроста[править | править вики-текст]

Точка Лейденфроста указывает начало устойчивого парообразования 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 году 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:[10]

{\frac{q}{A}}_\text{min} = C h_{fg} \rho_v \left[ \frac{\sigma g (\rho_L - \rho_v)}{(\rho_L - \rho_v)^2} \right]^{\frac14},

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

Соотношения теплообмена[править | править вики-текст]

Коэффициент теплообмена может быть примерно вычислен из уравнения Бромли для стабильного плёночного кипения:[10]

h = C \left[ \frac{k_v^3 \rho_v g (\rho_L - \rho_v) \big( h_{fg} + 0{,}4 c_{pv} (T_s - T_\text{sat}) \big)}{D_o \mu_v (T_s - T_\text{sat})} \right]^{\frac14},

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 температуры плёнки.

Для стабильного плёночного кипения на горизонтальной поверхности Беренсон изменил уравнение Бромли следующим образом:[11]

h = 0{,}425 \left[ \frac{k_{vf}^3 \rho_{vf} g (\rho_L - \rho_v) \big(h_{fg} + 0{,}4 c_{pv} (T_s - T_\text{sat}) \big)}{\mu_{vf} (T_s - T_\text{sat}) \sqrt{\sigma/g (\rho_L - \rho_v)}} \right]^{\frac14}.[прояснить]

Для вертикальных трубок Су и Вэстуотер предложили следующее уравнение:[11]

h \left[ \frac{\mu_v^2}{g \rho_v (\rho_L - \rho_v) k_v^3} \right]^{\frac13} = 0{,}0020 \left[ \frac{4m}{\pi D_v \mu_v} \right]^{0{,}6},

где m — поток в lb·m/h (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^{\frac43} = h_\text{conv}^{\frac43} + h_\text{rad} h^{\frac13},

если[прояснить] h_\text{rad} < h_\text{conv},

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

Коэффициент эффективного излучения, h_\text{rad} может быть выражен как

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

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

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. И. Г. Лейденфрост. Трактат о некоторых свойствах обыкновенной воды = Johann Gottlob Leidenfrost. De aquae communis nonnullis qualitatibus. — Duisburg, 1756.
  2. CSI | The Physics Behind Four Amazing Demonstrations
  3. Рипс, Самуил Маркович. Криогеника — консервация холода (рус.) с. 2. журнал «Техника — молодежи» (1969 г., № 5 (май)). — «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.»  Проверено 26 января 2013. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2013.
  4. Металлургическая мозаика / #209 (рус.). журнал «Металлоснабжение и сбыт». — «Французского фокусника Робера-Гудэна, 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.»  Проверено 26 января 2013. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2013.
  5. http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
  6. Student Gulps Into Medical Literature — WPI
  7. Открыт эффект Лейденфроста в сыпучих материалах
  8. Bernardin and Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point, " Transactions of the ASME, (Vol. 124, Oct. 2002)
  9. Sir William Fairbairn Two Lectures: The Construction of Boilers, and on Boiler Explosions, with the means of prevention. — 1851.
  10. 1 2 3 Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th edition.
  11. 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[править | править вики-текст]