Эфект Лейдэнфроста

Кропля вадкасці лунае на праслойцы з пара пад уздзеяннем эфекту Лейдэнфроста

Дэманстрацыя эфекту Лейдэнфроста

Эфект Лейдэнфроста (Ляйдэнфроста) — з’ява, пры якой вадкасць у кантакце з цвёрдай паверхняй, значна больш гарачай за кропку кіпення гэтай вадкасці, утварае цеплаізалявальную праслойку пары паміж паверхняй і вадкасцю, што запавольвае хуткае выкіпанне, напрыклад, кроплі вадкасці на гэтай паверхні. Таксама з’яву называюць крызісам кіпення.

У паўсядзённым жыцці з’яву можна назіраць пры гатаванні ежы: для ацэнкі тэмпературы патэльні на яе пырскаюць вадой — калі тэмпература дасягнула ці ўжо вышэй кропкі Лейдэнфроста, вада збярэцца ў кроплі, якія будуць «слізгаць» па паверхні металу і выпарацца даўжэй, чым калі б гэта адбывалася на патэльні, нагрэтай вышэй кропкі кіпення вады, але ніжэй кропкі Лейдэнфроста. Гэты ж эфект выклікае падобныя паводзіны кропель вадкага азоту, разлітага на паверхню, якая мае пакаёвую тэмпературу.

Найбольш відовішчныя яго дэманстрацыі даволі небяспечныя: удар мокрай далонню па вулканічнай лаве/магме, апусканне мокрых пальцаў у расплаўлены свінец, апусканне рукі ў расплаўленую сталь, выплёўванне вадкага азоту або пусканне «колцаў» выпаральнага азоту. Такі трук, больш за тое, можа прывесці да смерці.

У 2005 годзе галандскія фізікі эксперыментальна паказалі і апісалі мадэль эфекту ў сыпкіх асяроддзях.

Гісторыя

З’ява названа ў гонар Іагана Готлаба Лейдэнфроста, які апісаў з’яву ў «Трактаце пра некаторыя ўласцівасці звычайнай вады» у 1756 годзе. У 1756 годзе Лейдэнфрост назіраў, як кроплі на тонкім пласце пары павольна выпараюцца па меры руху па паверхні. Да яго гэтую з’яву апісаў, як мінімум, нідэрландскі хімік Герман Бургавэ ў 1732 годзе.

З’ява была таксама апісана выбітным канструктарам паравых катлоў Віктарыянскай эпохі Уільяма Фейрбернам, які бачыў у ёй прычыну моцнага памяншэння цеплаабмену паміж гарачым жалезам і вадой у паравым катле. У двух лекцыях па канструкцыі катлоў ён прыводзіць назіранне, у якім кропля, якая амаль імгненна выпараецца пры тэмпературы паверхні 168 °C, не выкіпала на працягу 152 секунд пры тэмпературы паверхні 202 °C, з чаго вынікала, што пры больш нізкіх тэмпературах у топцы вада можа выпарацца нават хутчэй, чым пры больш высокай тэмпературы. Варыянт з павышэннем тэмпературы вышэй кропкі Лейдэнфроста таксама разглядаўся Фэйрбернам, што магло б прывесці яго да стварэння катлоў, накшталт такіх, якія выкарыстоўваюцца ў парамабілях, аднак, магчымасці тэхнікі таго часу наўрад ці гэта дазвалялі ажыццявіць.

Савецкі фізік С. С. Кутатэладзэ, зыходзячы з тэорыі падабенства і памернасці прапанаваў гідрадынамічную тэорыю крызісаў кіпення, вядомую таксама як «тэорыя прагару» (англ.: Kutateladze’s burnout theory).

Апісанне эфекту

Дэманстрацыя эфекту Лейдэнфроста

Выплёўванне вадкага азоту

У выпадку з вадой эфект можна назіраць, капаючы яе на патэльню па меры награвання паверхні. Спачатку, калі тэмпература паверхні ніжэй 100 °C, вада проста расцякаецца па ёй і паступова выпараецца. Па дасягненні 100 °C кроплі вады будуць выпарацца з шыпеннем і хутчэй. Пасля таго як тэмпература перавышае кропку Лейдэнфроста, пачынае праяўляцца гэты эфект: пры кантакце з патэльняй кроплі збіраюцца ў маленькія шарыкі і бегаюць па ёй — вада не выкіпала на патэльні значна даўжэй, чым пры больш нізкіх тэмпературах. З’ява назіраецца да таго часу, пакуль тэмпература не будзе настолькі вялікай, што кроплі пачнуць выпарацца занадта хутка для яе праявы.

Асноўная прычына — пры тэмпературах вышэй кропкі Лейдэнфроста ніжняя частка кроплі імгненна выпараецца пры кантакце з гарачай паверхняй. Атрымліваецца праслойка пары, якая падвешвае астатнюю частку кроплі над паверхняй, прадухіляючы прамы судотык паміж вадкай вадой і гарачым целам. Паколькі цеплаправоднасць пары значна ніжэйшая за цеплаправоднасць вадкасці, цеплаабмен паміж кропляй і патэльняй запавольваецца, гэта дазваляе кроплі слізгаць па патэльні на праслойцы газу пад ёй.

Паводзіны вады на гарачай пласціне. На графіцы паказаны паток цяпла ў залежнасці ад тэмпературы пасля кропкі кіпення. Эфект праяўляецца пасля так званага пераходнага кіпення (transition boiling).

Тэмпературу, пры якой пачынае праяўляцца эфект, складана прадказаць загадзя. Нават калі аб’ём вадкасці застаецца пастаянным, значэнне пункту Лейдэнфроста можа мяняцца ў складанай залежнасці ад уласцівасцяў паверхні, а таксама прымешкаў у вадкасці. Некаторыя даследаванні ўсё ж праводзіліся на тэарэтычнай мадэлі сістэмы, што, аднак, аказалася вельмі цяжкім. Адна з даволі прыблізных ацэнак дае значэнне пункту Лейденфроста для кроплі вады на патэльні ў 193 °C.

За кропку Лейдэнфроста таксама можна прыняць тэмпературу, пры якой «левітацыя» кроплі доўжыцца найбольшы час.

Кропка Лейдэнфроста

Кропка Лейдэнфроста паказвае пачатак ўстойлівага параўтварэння са з’яўленнем праслойкі газу вакол вадкасці. Гэта кропка на крывой параўтварэння, дзе паток цяпла дасягае мінімальных значэнняў, а ўся паверхня падзелу паміж вадкасцю і цвёрдай паверхняй пакрыта пластом газу. Цеплаабмен паміж вадкасцю і нагрэтай паверхняй адбываецца дзякуючы цеплаправоднасці і выпраменьванню ў працэсе выпарэння. З узрастаннем тэмпературы паверхні выпраменьванне праз плёнку становіцца прыкметнейшым, узрастае і струмень цяпла.

Мінімальнае значэнне патоку цяпла можна вывесці з Ураўнення Зубера:

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

дзе ўсе велічыні ўзятыя пры тэмпературы кіпення. Канстанта Зубера, $C$, роўная прыкладна 0,09 для большасці вадкасцяў пры цісках блізкіх да атмасфернага.

Суадносіны цеплаабмену

Каэфіцыент цеплаабмену можа быць прыкладна вылічаны з Ураўнення Бромлі для стабільнага плёнкавага кіпення:

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

дзе $D_{o}$ — знешні дыяметр трубкі.

Значэнне канстанты $C$ — 0,62 для гарызантальных цыліндраў і вертыкальных пласцін і 0,67 для сфер. Параметры пары ўзятыя для тэмпературы плёнкі.

Для стабільнага плёнкавага кіпення на гарызантальнай паверхні Берэнсон змяніў раўнанне Бромлі наступным чынам:

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

Для вертыкальных трубак Су і Вэстуотер прапанавалі наступнае раўнанне:

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

дзе $m$ — струмень у фунтах на метр у гадзіну праз верхні канец трубкі.

Пры тэмпературах вышэйшых за тыя, дзе назіраецца мінімальны паток цяпла, робіцца прыкметным ўклад цеплавога выпраменьвання, дамінуючы пры яшчэ больш высокіх тэмпературах. Агульны каэфіцыент цеплаабмену, такім чынам, лепш разглядаць як камбінацыю двух згаданых. Бромлі прапанаваў наступныя ўраўненні для знешніх паверхняў гарызантальных трубак:

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

калі $h_{\text{rad}}<h_{\text{conv}}$,

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

Каэфіцыент эфектыўнага выпраменьвання, $h_{\text{rad}}$ можа быць паказаны як

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

дзе $\varepsilon$ — выпраменьвальная здольнасць цела,

$\sigma$ — пастаянная Стэфана — Больцмана.