Leidenfrost efekt

Efekt Leidenfrost  (Leidenfrost) je jev, při kterém kapalina ve styku s pevným povrchem, mnohem teplejší než bod varu této kapaliny, vytváří mezi povrchem a kapalinou tepelně izolační vrstvu páry, která zpomaluje rychlý var, například kapek kapaliny na tomto povrchu. Tomuto jevu se také říká krize varu .

V každodenním životě lze tento jev pozorovat při vaření: pro posouzení teploty pánve na ni pokropí vodou - pokud teplota dosáhla nebo je již nad bodem Leidenfrost , voda se shromáždí do kapek, které „sklouznou“ nad povrchem kovu a odpařují se déle, než kdyby se to stalo na pánvi zahřáté nad bod varu vody, ale pod bod Leidenfrost. Stejný efekt způsobuje podobné chování kapek kapalného dusíku , rozlitých na povrch při pokojové teplotě.

Jeho nejokázalejší demonstrace jsou docela nebezpečné: například ponoření mokrých prstů do roztaveného olova [1] , namáčení ruky do roztavené oceli [2] [3] [4] nebo vyplivnutí kapalného dusíku či foukání „kroužků“ odpařujícího se dusíku [ 5] . Takový trik navíc může vést ke smrti [6] .

V roce 2005 nizozemští fyzici experimentálně ukázali a popsali model efektu v zrnitém prostředí [7] .

Historie

Jev je pojmenován po Johannu Gottlobovi Leidenfrostovi , který jev popsal v Pojednání o určitých vlastnostech obyčejné vody v roce 1756 [8] . V roce 1756 Leidenfrost pozoroval, jak se kapičky na tenké vrstvě páry pomalu odpařují, když se pohybují po povrchu. Před ním tento jev popsal přinejmenším holandský chemik Hermann Boerhaave v roce 1732.

Tento jev popsal také významný viktoriánský konstruktér parních kotlů William Fairbairn, který v něm spatřoval příčinu prudkého omezení výměny tepla mezi horkým železem a vodou v parním kotli. Ve dvou přednáškách o konstrukci kotlů [9] uvádí pozorování, při kterém se kapka odpařená téměř okamžitě při povrchové teplotě 168 °C neodvařila po dobu 152 sekund při povrchové teplotě 202 °C , ze které následovalo, že při nižších teplotách v peci se voda může odpařovat ještě rychleji než při vyšší teplotě. Možnost zvýšit teplotu nad bod Leidenfrost zvažoval i Fairbairn, což by ho mohlo přivést k vytvoření kotlů, podobných těm, které se používají v parních vozech , ale tehdejší technické možnosti to sotva umožňovaly.

Sovětský fyzik S. S. Kutateladze na základě teorie podobnosti a dimenze navrhl hydrodynamickou teorii varných krizí, známou také jako „teorie vyhoření“ (eng. Kutateladze's burnout theory ).

Popis efektu

V případě vody lze účinek pozorovat jejím nakapáním do pánve, když se pánev zahřívá. Zpočátku, když je povrchová teplota pod 100 °C , voda se po něm jednoduše rozlije a postupně se odpaří. Při dosažení 100 °C se kapky vody vypaří se syčením a rychleji. Poté, co teplota překročí Leidenfrostův bod, se začne projevovat tento efekt: při kontaktu s pánví se kapky shromažďují do malých kuliček a pobíhají kolem nich - voda se v pánvi nevyvaří mnohem déle než při nižších teplotách. Tento jev je pozorován, dokud se teplota nezvýší natolik, že se kapky začnou odpařovat příliš rychle, než aby k tomu došlo.

Hlavním důvodem je, že při teplotách nad bodem Leidenfrost se dno kapky při kontaktu s horkým povrchem okamžitě odpaří. Výsledná vrstva páry suspenduje zbytek kapky nad povrchem a zabraňuje přímému kontaktu mezi kapalnou vodou a horkým tělesem. Protože tepelná vodivost páry je mnohem nižší než tepelná vodivost kapaliny, výměna tepla mezi kapkou a miskou se zpomaluje, což umožňuje kapce klouzat po pánvi na vrstvě plynu pod ní.

Teplotu, při které se efekt začíná projevovat, je těžké předem odhadnout. I když objem kapaliny zůstává konstantní, hodnota Leidenfrostova bodu se může složitě měnit v závislosti na vlastnostech povrchu a také na nečistotách v kapalině. Některé studie byly přesto provedeny na teoretickém modelu systému, což se však ukázalo jako velmi obtížné [10] . Jeden z poměrně hrubých odhadů udává hodnotu Leidenfrostova bodu pro kapku vody v pánvi při 193 °C.

Leidenfrostův bod lze také brát jako teplotu, při které „ levitace “ kapky trvá nejdelší dobu [11] .

Bod Leidenfrost

Leidenfrostův bod označuje začátek stabilního odpařování s výskytem vrstvy plynu kolem kapaliny. Toto je bod na křivce odpařování, kde tepelný tok dosahuje svých minimálních hodnot a celé rozhraní mezi kapalinou a pevným povrchem je pokryto vrstvou plynu. K výměně tepla mezi kapalinou a zahřátým povrchem dochází v důsledku vedení tepla a sálání během procesu odpařování. Se zvyšující se povrchovou teplotou je záření skrz fólii znatelnější a zvyšuje se i tepelný tok.

Minimální hodnotu tepelného toku lze odvodit ze Zuberovy rovnice [11] :

kde jsou všechny hodnoty měřeny při teplotě varu. Zuberova konstanta je asi 0,09 pro většinu kapalin při tlaku blízkém atmosférickému tlaku .

Poměry prostupu tepla

Koeficient prostupu tepla lze přibližně vypočítat z Bromleyovy rovnice pro stabilní var ve filmu [11] :

Hodnota konstanty  je 0,62 pro vodorovné válce a svislé desky a 0,67 pro koule. Parametry páry se berou pro teplotu filmu.

Pro stabilní vaření filmu na vodorovném povrchu upravil Berenson Bromleyho rovnici takto [12] :

[ objasnit (bez komentáře) ]

Pro vertikální trubky Su a Westwater navrhli následující rovnici [12] :

kde  je průtok v librách na metr za hodinu horním koncem trubky.

Při teplotách nad těmi, kde je pozorován minimální tepelný tok, je patrný příspěvek tepelného záření, které dominuje při ještě vyšších teplotách. Na celkový součinitel prostupu tepla je tedy nejlépe pohlížet jako na kombinaci obou zmíněných. Bromley navrhl následující rovnice pro vnější povrchy vodorovných trubek:

if [ objasnit (bez komentáře) ] ,

Efektivní radiační koeficient lze vyjádřit jako

kde  je emisivita těla,  je Stefan-Boltzmannova konstanta .

Poznámky

1. ↑ CSI | The Physics Behind Four Amazing Demonstrations (odkaz není k dispozici) . Datum přístupu: 3. ledna 2012. Archivováno z originálu 15. srpna 2009. (neurčitý) 
2. ↑ Rips, Samuil Markovič. Kryogenika - zachování chladu // Technika - mládí. 1969, č. 5 (květen) str. 2. - „Na konci minulého století v ocelárnách zkušení dělníci občas předváděli nováčkům trik: na chvíli ponořili ruku do roztavené oceli. Intenzivní vaporizace na zlomek vteřiny chránila pokožku před spálením.
3. ↑ Hutní mozaika / #209 . časopis "Zásobování a prodej kovů". - „Francouzský kouzelník Robert-Houdin , který žil v 19. století, byl nazýván králem iluzionistů. Jeho repertoár zahrnoval čistě fakírská čísla s roztaveným a rozžhaveným kovem. Nebojácně ponořil ruku do roztaveného plechu, umyl se s ním, a dokonce si vypláchl ústa roztaveným železem, přiložil železnou tyč, rozžhavenou na obličej. Část jeho výkonu vykonávají někteří moderní oceláři, kteří dokážou překročit proud roztavené oceli holýma rukama. Parní film, který se okamžitě vytvoří na ruce, ji chrání před těžkými popáleninami. Pravděpodobně to byly triky Roberta-Houdina. Staženo: 26. ledna 2013. (Ruština)
4. ↑ Ocelář z Arménie promluvil o triku s roztaveným kovem
5. ↑ http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
6. ↑ Student hltá lékařskou literaturu - WPI
7. ↑ Leidenfrostův efekt objevený v sypkých materiálech
8. ↑ I. G. Leidenfrost. Pojednání o některých vlastnostech obyčejné vody = Johann Gottlob Leidenfrost. De aquae communis nonnullis qualitatibus. — Duisburg, 1756.
9. ↑ Sir William Fairbairn . Dvě přednášky: Stavba kotlů a Výbuchy kotlů s prostředky prevence  (anglicky) . — 1851.
10. ↑ Bernardin a Mudawar, „Model aktivace dutin a růstu bublin v bodě Leidenfrost“, Transactions of ASME, (sv. 124, říjen 2002)
11. ↑ 1 2 3 Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Základy přenosu tepla a hmoty, 6. vydání.
12. ↑ 1 2 James R. Welty; Charles E. Wicks; Robert E. Wilson; Gregory L. Rorrer., "Základy hybnosti, přenosu tepla a hmoty" 5. vydání, John Wiley and Sons

Odkazy

• "Vařící. Leidenfrostův efekt / Var. Leidenfrost effect“  - časopis Chemistry and Chemists