Ορισμός εφέ Leidenfrost και παραδείγματα

Το φαινόμενο Leidenfrost είναι ένα φαινόμενο όπου ένα στρώμα ατμού μονώνει ένα υγρό από μια επιφάνεια, εμποδίζοντας τον γρήγορο βρασμό. Ο μονωτικός ατμός κάνει τα σταγονίδια υγρού να αιωρούνται πάνω από πολύ ζεστές επιφάνειες. Ομοίως, ένα στρώμα ατμού μονώνει μεταξύ πολύ κρύων υγρών και θερμών στερεών. Το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον Γερμανό γιατρό Johann Gottlob Leidenfrost, ο οποίος παρατήρησε τον τρόπο με τον οποίο οι σταγόνες νερού πέφτουν σε ένα ζεστό τηγάνι.

Πώς λειτουργεί το φαινόμενο Leidenfrost

Το φαινόμενο Leidenfrost λειτουργεί όταν η θερμοκρασία της θερμής επιφάνειας είναι πολύ πάνω από το σημείο βρασμού ενός υγρού. Η οπτικοποίηση του τι συμβαίνει με το νερό σε ένα ζεστό τηγάνι κάνει τη διαδικασία πιο κατανοητή.

• Οι σταγόνες νερού σε ένα δροσερό τηγάνι επικαλύπτουν το τηγάνι με σταγόνες υγρών που εξατμίζονται αργά.
• Αν ραντίσετε σταγόνες νερού σε ένα τηγάνι ακριβώς κάτω από το σημείο βρασμού του νερού (100 °C ή 212 °F), τα σταγονίδια ισιώνουν και εξατμίζονται γρήγορα.
• Τα σταγονίδια νερού σφυρίζουν και βράζουν και εξατμίζονται καθώς ακουμπούν σε τηγάνι που έχει θερμανθεί ακριβώς στο σημείο βρασμού του νερού.
• Η θέρμανση του τηγανιού οδηγεί σε συριγμό και βρασμό έως ότου το τηγάνι φτάσει σε μια ορισμένη θερμοκρασία, η οποία ονομάζεται σημείο Leidenfrost. Στο σημείο Leidenfrost και υψηλότερες θερμοκρασίες, οι σταγόνες νερού μαζεύονται και σκιρτούν πάνω από την επιφάνεια του πόνου. Ενώ εξατμίζονται, οι σταγόνες διαρκούν πολύ περισσότερο από ό,τι σε ψυχρότερες (αλλά ακόμα ζεστές) θερμοκρασίες.
• Σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία, οι σταγόνες εξατμίζονται τόσο γρήγορα που δεν εμφανίζεται το φαινόμενο Leidenfrost.

Το σημείο Leidenfrost

Το σημείο Leidenfrost εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, επομένως δεν μπορεί να προβλεφθεί εύκολα. Μερικοί από αυτούς τους παράγοντες είναι η τάση ατμών των διαφορετικών υλικών, η παρουσία ακαθαρσιών και η ομαλότητα ή τραχύτητα των επιφανειών. Το φαινόμενο Leidenfrost λειτουργεί καλύτερα σε πολύ λείες επιφάνειες, όπως σταγονίδια νερού και επίπεδα τηγάνι.

Στο σημείο Leidenfrost, η εξωτερική επιφάνεια ενός σταγονιδίου εξατμίζεται. Ο ατμός (ένα αέριο) σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα μόνωσης μεταξύ των δύο υλικών. Στην περίπτωση μιας σταγόνας νερού και ενός τηγανιού, ο ατμός αναστέλλει την πτώση πάνω από την επιφάνεια και ελαχιστοποιεί τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του μεταλλικού σκεύους και του νερού. Ενώ χωριστά σταγονίδια συσσωρεύονται, το φαινόμενο Leidenfrost επηρεάζει επίσης αυτή τη διαδικασία. Τα στρώματα ατμού γύρω από ξεχωριστά σταγονίδια είναι σαν μικρά μαξιλάρια. Οι σταγόνες συχνά αναπηδούν η μία από την άλλη πριν ενωθούν.

Παραδείγματα εφέ Leidenfrost

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα της επίδρασης Leidenfrost. Το να ρίξετε νερό σε ένα ζεστό τηγάνι είναι μια καλή απόδειξη, αλλά άλλα παραδείγματα δεν είναι ιδιαίτερα ασφαλή.

Νερό σε ζεστό τηγάνι

Η προσθήκη μερικών σταγόνων νερού σε ένα ζεστό, στεγνό τηγάνι είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να υπολογίσετε τη θερμοκρασία του τηγανιού. Κάτω από το σημείο Leidenfrost, το νερό τσουρουφλίζει. Όταν το τηγάνι είναι πολύ ζεστό, τα σταγονίδια πετούν τριγύρω. Ωστόσο, αποφύγετε τη χρήση αυτής της μεθόδου σε τηγάνια από τεφλόν γιατί η επικάλυψη εισχωρεί στον αέρα ως τοξικό αέριο καθώς το τηγάνι ζεσταίνεται πολύ. Κολλήστε με μαντεμένια τηγάνι.

Υγρό άζωτο και έδαφος

Η έκχυση ενός μικρού όγκου υγρού αζώτου σε ένα πάτωμα λειτουργεί ακριβώς όπως το νερό σε ένα ζεστό τηγάνι. Το σημείο βρασμού του αζώτου είναι −195,79 °C ή −320,33 °F, επομένως ένα πάτωμα σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ πάνω από το σημείο Leidenfrost.

Υγρό άζωτο και δέρμα

Το Leidenfrost εμφανίζεται με σταγονίδια υγρού αζώτου και ανθρώπινο δέρμα. Η θερμοκρασία του δέρματος είναι πολύ μεγαλύτερη από το σημείο Leidenfrost για υγρό άζωτο. Έτσι, αν μερικές σταγόνες υγρού αζώτου προσγειωθούν στο δέρμα σας, αναπηδούν χωρίς να προκαλέσουν κρυοπαγήματα. Σε μια επίδειξη, ένας έμπειρος εκπαιδευτικός πετάει ένα φλιτζάνι υγρό άζωτο στον αέρα πολύ πάνω από ένα ακροατήριο, έτσι διαχέεται σε σταγονίδια. Ωστόσο, εάν το άζωτο δεν διασπαστεί ή ο όγκος είναι πολύ υψηλός, η επαφή με το δέρμα προκαλεί δυνητικά σοβαρά κρυοπαγήματα. Μια ακόμη πιο επικίνδυνη επίδειξη περιλαμβάνει την κατανάλωση μικρής ποσότητας υγρού αζώτου και την εκτόξευση ρουφηξιών ατμού υγρού αζώτου. Υπάρχει κίνδυνος κατά λάθος κατάποσης του αζώτου, το οποίο μπορεί να είναι θανατηφόρο. Η εξάτμιση του αζώτου παράγει φυσαλίδες αζώτου που μπορούν να σπάσουν τους ιστούς.

Δέρμα και λιωμένος μόλυβδος

Εάν αγγίξετε λιωμένο μόλυβδο, θα καείτε. Ωστόσο, το εφέ Leidenfrost προσφέρει προστασία εάν βρέξετε το χέρι σας πριν αγγίξετε το μέταλλο. Σε μια επίδειξη, ένα άτομο βρέχει το χέρι του με νερό και το βυθίζει γρήγορα μέσα και έξω από το λιωμένο μόλυβδο χωρίς να καεί. Το αποτέλεσμα προσφέρει προστασία και από άλλα λιωμένα μέταλλα, αλλά ο μόλυβδος είναι η καλύτερη επιλογή επειδή έχει σχετικά χαμηλό σημείο τήξης 327,46 °C ή 621,43 °F. Αυτό είναι πολύ πάνω από το σημείο Leidenfrost για νερό, αλλά όχι τόσο ζεστό ώστε η σύντομη έκθεση να προκαλέσει έγκαυμα. Είναι συγκρίσιμο με το να αφαιρέσετε ένα πολύ ζεστό τηγάνι από ένα φούρνο χρησιμοποιώντας ένα γάντι φούρνου.

Φαινόμενο Leidenfrost και λάβα

Οι συζητήσεις για το τι μπορεί να συμβεί εάν αγγίξετε λάβα ή πέσετε σε ηφαίστειο συχνά αναφέρονται στο φαινόμενο Leidenfrost. Εν μέρει, αυτό προέρχεται από ένα βίντεο ενός ατόμου που περνάει το χέρι του μέσα από λιωμένο μέταλλο που εσφαλμένα αναγνωρίστηκε ως λάβα. Η λάβα κάνει ροής, αλλά είναι πολύ παχύρρευστο (σε αντίθεση με το υγρό μέταλλο).

Το νερό διασχίζει τη λάβα μέσω του φαινομένου Leidenfrost. Όμως, ένα στρώμα ατμού δεν θα προστατεύσει το δέρμα σας. Το να αγγίζεις τη λάβα είναι σαν να αγγίζεις μια σούπερ καυτή σόμπα. Το να βρέξετε το χέρι σας μπορεί να σας προστατεύσει ελάχιστα, αλλά μάλλον όχι αρκετό. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμοκρασία της λάβας είναι περίπου 1100 °C ή 2100 °F. Αυτό είναι πολύ πιο καυτό από τον λιωμένο μόλυβδο!

Το λιωμένο πέτρωμα είναι τόσο πυκνό που αν πέσεις σε ένα ηφαίστειο, είναι ουσιαστικά το ίδιο με το να χτυπήσεις μια στερεή επιφάνεια. Ωστόσο, ο ζεστός αέρας ανεβαίνει, έτσι η στήλη αέρα πάνω από τη λάβα προκαλεί εγκαύματα πριν από την πρόσκρουση. Επίσης, τα αέρια είναι τοξικά.

Αναφορές

• Bernardin, John D.; Mudawar, Issam (2002). "Ένα μοντέλο ενεργοποίησης κοιλότητας και ανάπτυξης φυσαλίδων του σημείου Leidenfrost". Journal of Heat Transfer . 124 (5):864–74. doi:10.1115/1.1470487
• Incropera, Frank; DeWitt, David; Bergman, Theodore; Lavine, Adrienne (2006). Βασικές αρχές μεταφοράς θερμότητας και μάζας (6η έκδ.). John Wiley &Sons. ISBN:978-0471457282.
• Pacheco-Vázquez, F.; Ledesma-Alonso, R.; Palacio-Rangel, J. L.; Moreau, F. (2021). “Triple Leidenfrost Effect:Preventing Coalescence of Drops on a Hot Plate”. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης . 127 (20):204501. doi:10.1103/PhysRevLett.127.204501
• Quéré, David (2013). «Leidenfrost Dynamics». Ετήσια ανασκόπηση της Μηχανικής Ρευστών . 45 (1):197–215. doi:10.1146/annurev-fluid-011212-140709
• Vakarelski, Ivan U.; Patankar, Neelesh A.; Marston, Jeremy O.; Chan, Derek Y. C.; Thoroddsen, Sigurdur T. (2012). «Σταθεροποίηση του στρώματος ατμού Leidenfrost από υφή υπερυδρόφοβες επιφάνειες». Φύση . 489 (7415):274–7. doi:10.1038/nature11418