Leidenfrost-efekti

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22.5.2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Leidenfrost (Leidenfrost) -ilmiö on ilmiö, jossa kiinteän pinnan kanssa kosketuksissa oleva neste, joka on paljon tämän nesteen kiehumispistettä kuumempi , muodostaa pinnan ja nesteen väliin lämpöä eristävän höyrykerroksen, joka hidastaa nopeaa kiehumista. esimerkiksi nestepisaroita tälle pinnalle. Tätä ilmiötä kutsutaan myös kiehuvaksi kriisiksi .

Arkielämässä ilmiö voidaan havaita ruoanlaitossa: pannun lämpötilan arvioimiseksi kaadetaan siihen vettä - jos lämpötila on saavuttanut tai on jo yli Leidenfrost-pisteen , vesi kerääntyy pisaroihin, jotka "liukuvat" metallin pinnan yli ja haihtua pidempään kuin jos tämä tapahtuisi kattilassa, joka on lämmitetty veden kiehumispisteen yläpuolelle, mutta Leidenfrost-pisteen alapuolelle. Sama vaikutus aiheuttaa samanlaisen käyttäytymisen nestetyppipisaroille , jotka roiskuvat pinnalle huoneenlämpötilassa.

Hänen näyttävimmät esittelynsä ovat varsin vaarallisia: esimerkiksi märien sormien upottaminen sulaan lyijyyn [1] , käden upottaminen sulaan teräkseen [2] [3] [4] tai nestemäisen typen sylkeminen tai haihtuvan typen "renkaiden" puhallus [ 5] . Tällainen temppu voi lisäksi johtaa kuolemaan [6] .

Vuonna 2005 hollantilaiset fyysikot osoittivat ja kuvasivat kokeellisesti mallin vaikutuksesta rakeissa [7] .

Historia

Ilmiö on nimetty Johann Gottlob Leidenfrostin mukaan, joka kuvaili ilmiötä tutkielmassa tietyistä tavallisen veden ominaisuuksista vuonna 1756 [8] . Vuonna 1756 Leidenfrost havaitsi kuinka ohuella höyrykerroksella olevat pisarat haihtuivat hitaasti liikkuessaan pinnan poikki. Ennen häntä tämän ilmiön kuvaili ainakin hollantilainen kemisti Hermann Boerhaave vuonna 1732.

Ilmiötä kuvaili myös kuuluisa viktoriaaninen höyrykattilasuunnittelija William Fairbairn, joka näki sen syynä kuuman raudan ja veden välisen lämmönvaihdon vakavaan vähenemiseen höyrykattilassa. Kahdella kattiloiden suunnittelua käsittelevällä luennolla [9] hän esittää havainnon, jossa 168 °C :n pintalämpötilassa lähes välittömästi haihtunut pisara ei kiehunut pois 152 sekuntiin pintalämpötilassa 202 °C , josta se seurasi, että uunin alemmissa lämpötiloissa vesi voi haihtua jopa nopeammin kuin korkeammassa lämpötilassa. Fairbairn harkitsi myös mahdollisuutta nostaa lämpötila Leidenfrost-pisteen yläpuolelle, mikä saattoi johtaa hänet höyryautojen kaltaisten kattiloiden luomiseen , mutta sen ajan tekniset ominaisuudet tuskin sallivat tätä.

Neuvostoliiton fyysikko S. S. Kutateladze , perustuen samankaltaisuuden ja ulottuvuuden teoriaan , ehdotti kiehuvien kriisien hydrodynaamista teoriaa, joka tunnetaan myös nimellä "burnout theory" (eng. Kutateladzen burnout teoria ).

Kuvaus vaikutuksesta

Veden tapauksessa vaikutus voidaan havaita tiputtamalla sitä pannulle pannun lämmetessä. Aluksi, kun pinnan lämpötila on alle 100 °C , vesi yksinkertaisesti leviää sen päälle ja haihtuu vähitellen. 100 °C :n saavuttaessa vesipisarat haihtuvat sihisemällä ja nopeammin. Lisäksi, kun lämpötila ylittää Leidenfrost-pisteen, tämä vaikutus alkaa näkyä: joutuessaan kosketuksiin astian kanssa, pisarat kerääntyvät pieniksi palloiksi ja juoksevat sen ympäri - vesi ei kiehu kattilassa paljon kauemmin kuin alhaisemmissa lämpötiloissa. Ilmiötä tarkkaillaan, kunnes lämpötila nousee niin korkeaksi, että pisarat alkavat haihtua liian nopeasti, jotta se olisi mahdollista.

Pääsyynä on se, että Leidenfrost-pisteen yläpuolella olevissa lämpötiloissa pisaran pohja haihtuu välittömästi joutuessaan kosketuksiin kuuman pinnan kanssa. Tuloksena oleva höyrykerros suspendoi loput pisaroista pinnan yläpuolelle estäen suoran kosketuksen nestemäisen veden ja kuuman kappaleen välillä. Koska höyryn lämmönjohtavuus on paljon pienempi kuin nesteen lämmönjohtavuus, lämmönvaihto pisaran ja kattilan välillä hidastuu, jolloin pisara pääsee liukumaan kattilan yli alla olevan kaasukerroksen päällä.

Lämpötilaa, jossa vaikutus alkaa näkyä, on vaikea ennustaa etukäteen. Vaikka nesteen tilavuus pysyisi vakiona, Leidenfrost-pisteen arvo voi vaihdella monimutkaisesti riippuen pinnan ominaisuuksista sekä nesteen epäpuhtauksista. Joitakin tutkimuksia kuitenkin tehtiin järjestelmän teoreettisella mallilla, joka kuitenkin osoittautui erittäin vaikeaksi [10] . Yksi melko karkeista arvioista antaa Leidenfrost-pisteen arvon vesipisaralle astiassa 193 °C:ssa.

Leidenfrost-pisteen voidaan katsoa olevan myös lämpötila, jossa pisaran " levitaatio " kestää pisimpään [11] .

Leidenfrost point

Leidenfrost-piste osoittaa vakaan höyrystymisen alkamisen, kun nesteen ympärille ilmestyy kaasukerros. Tämä on höyrystymiskäyrän piste, jossa lämpövirta saavuttaa minimiarvonsa ja koko nesteen ja kiinteän pinnan välinen rajapinta peittyy kaasukerroksella. Lämmönvaihto nesteen ja kuumennetun pinnan välillä tapahtuu lämmön johtumisen ja säteilyn seurauksena haihdutusprosessin aikana. Pintalämpötilan noustessa kalvon läpi kulkeva säteily tulee näkyvämmäksi ja myös lämpövirta kasvaa.

Lämpövuon minimiarvo voidaan johtaa Zuberin yhtälöstä [11] :

{\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},

jossa kaikki arvot otetaan kiehumispisteessä. Zuberin vakio, , on noin 0,09 useimmille nesteille lähellä ilmakehän paineita . $C$

Lämmönsiirtosuhteet

Lämmönsiirtokerroin voidaan laskea likimäärin stabiilin kalvon kiehumisen Bromley-yhtälöstä [11] :

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

missä on putken ulkohalkaisija.

Tehdä

Vakion arvo on vaakasuuntaisilla sylintereillä ja pystylevyillä 0,62 ja palloilla 0,67. Höyryparametrit otetaan kalvon lämpötilaa varten. $C$

Vakaalle kalvolle kiehuvaa vaakasuuntaista pintaa varten Berenson muokkasi Bromley-yhtälöä seuraavasti [12] :

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

[ selventää (ei kommentteja) ]

Pystyputkille Su ja Westwater ehdottivat seuraavaa yhtälöä [12] :

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

missä on putken yläpään läpi kulkeva virtaus punnissa metriä kohti tunnissa.

m

Lämpötiloissa, jotka ovat korkeampia kuin minimilämpövirta, lämpösäteilyn osuus tulee havaittavaksi, mikä hallitsee vielä korkeammissa lämpötiloissa. Kokonaislämmönsiirtokerroin on siksi paras nähdä kahden mainitun yhdistelmänä. Bromley ehdotti seuraavia yhtälöitä vaakasuuntaisten putkien ulkopinnoille:

h^{\frac43} = h_\text{conv}^{\frac43} + h_\text{rad} h^{\frac13},

jos [ selventää (ei kommenttia) ] , $h_\teksti{rad} < h_\teksti{konv}$

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

Tehokas säteilykerroin voidaan ilmaista seuraavasti $h_\teksti{rad}$

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

missä on kehon emissiokyky ,

\varepsilon

\sigma

on Stefan-Boltzmannin vakio .

Muistiinpanot

↑ CSI | The Physics Behind Four Amazing Demonstrations (linkki ei ole käytettävissä) . Käyttöpäivä: 3. tammikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 15. elokuuta 2009. (määrätön)
↑ Rips, Samuel Markovich. Kryogeniikka - kylmän säilyminen // Tekniikka - nuoriso. 1969, nro 5 (toukokuu) s. 2. - ”Viime vuosisadan lopulla terästehtailla kokeneet työntekijät näyttivät tulokkaille joskus tempun: hetkeksi he upottivat kätensä sulaan teräkseen. Intensiivinen höyrystys sekunnin murto-osan ajan suojasi ihoa palovammilta.
↑ Metallurginen mosaiikki / #209 . aikakauslehti "Metallin hankinta ja myynti". - 1800-luvulla elänyt ranskalainen taikuri Robert-Houdin kutsuttiin illusionistien kuninkaaksi. Hänen ohjelmistonsa sisälsi puhtaasti fakiirinumeroita sulalla ja kuumalla metallilla. Hän kastoi kätensä pelottomasti sulaan tinaan, pesi itsensä sillä ja jopa huuhteli suunsa sulalla raudalla, laittoi kasvolleen kuuman rautakauvan. Osa hänen urotyöstään suorittaa jotkut nykyaikaiset terästyöläiset, jotka voivat ylittää sulan terässuihkun paljain käsin. Välittömästi käteen muodostuva höyrykalvo suojaa sitä vakavilta palovammoilta. Luultavasti tämä oli Robert-Houdinin temppuja. Haettu: 26. tammikuuta 2013. (Venäjän kieli)
↑ Armenialainen teräksentekijä puhui tempusta sulan metallin kanssa
↑ http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
↑ Opiskelija hyppää lääketieteelliseen kirjallisuuteen - WPI
↑ Leidenfrost-ilmiö löydetty bulkkimateriaaleista
↑ I. G. Leidenfrost. Käsitelmä joistakin tavallisen veden ominaisuuksista = Johann Gottlob Leidenfrost. De aquae communis nonnullis qualitatibus. - Duisburg, 1756.
↑ Sir William Fairbairn . Kaksi luentoa: Kattiloiden rakentaminen ja kattiloiden räjähdykset ehkäisykeinoilla (englanniksi) . – 1851.
↑ Bernardin ja Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point", Transactions of the ASME, (Vol. 124, Lokakuu 2002)
↑ 1 2 3 Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6. painos.
↑ 1 2 James R. Welty; Charles E. Wicks; Robert E. Wilson; Gregory L. Rorrer, "Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer", 5. painos, John Wiley and Sons

Linkit

"Keetä. Leidenfrost vaikutus / Kiehuva. Leidenfrost-ilmiö" - Chemistry and Chemists -lehti