Leidenfrost effekt

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. maj 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Leidenfrost (Leidenfrost)-effekten er et fænomen, hvor en væske i kontakt med en fast overflade, meget varmere end denne væskes kogepunkt , danner et varmeisolerende damplag mellem overfladen og væsken, hvilket bremser den hurtige kogning, for eksempel af væskedråber på denne overflade. Dette fænomen kaldes også den kogende krise .

I hverdagen kan fænomenet observeres ved madlavning: For at vurdere grydens temperatur drysser de vand på den - hvis temperaturen har nået eller allerede er over Leidenfrost-punktet , vil vandet samle sig i dråber, der vil "glide" over metallets overflade og fordampe længere, end hvis dette skete i en gryde opvarmet over kogepunktet for vand, men under Leidenfrost-punktet. Den samme effekt forårsager en lignende opførsel af dråber flydende nitrogen , spildt på en overflade ved stuetemperatur.

Hans mest spektakulære demonstrationer er ret farlige: for eksempel at kaste våde fingre ned i smeltet bly [1] , dyppe en hånd i smeltet stål [2] [3] [4] eller spytte flydende nitrogen ud eller blæse "ringe" af fordampende nitrogen [ 5] . Et sådant trick kan desuden føre til døden [6] .

I 2005 viste og beskrev hollandske fysikere eksperimentelt modellen for effekten i granulære medier [7] .

Historie

Fænomenet er opkaldt efter Johann Gottlob Leidenfrost , som beskrev fænomenet i en Afhandling om visse egenskaber ved almindeligt vand i 1756 [8] . I 1756 observerede Leidenfrost, hvordan dråber på et tyndt lag damp langsomt fordampede, mens de bevægede sig hen over overfladen. Før ham blev dette fænomen beskrevet, i det mindste, af den hollandske kemiker Hermann Boerhaave i 1732.

Fænomenet blev også beskrevet af den eminente victorianske dampkedeldesigner William Fairbairn, der så det som årsagen til den voldsomme reduktion i varmeudvekslingen mellem varmt jern og vand i en dampkedel. I to foredrag om design af kedler [9] giver han en observation, hvor en dråbe, der næsten øjeblikkeligt fordampede ved en overfladetemperatur på 168 °C , ikke kogte væk i 152 sekunder ved en overfladetemperatur på 202 °C , hvorfra den fulgte, at ved lavere temperaturer i ovnen kan vand fordampe endnu hurtigere end ved en højere temperatur. Muligheden for at hæve temperaturen over Leidenfrost-punktet blev også overvejet af Fairbairn, hvilket kunne føre ham til skabelsen af kedler, svarende til dem, der blev brugt i dampbiler , men datidens tekniske muligheder tillod næppe dette.

Den sovjetiske fysiker S. S. Kutateladze , baseret på teorien om lighed og dimension , foreslog en hydrodynamisk teori om kogende kriser, også kendt som "udbrændthedsteorien" (eng. Kutateladzes udbrændthedsteori ).

Beskrivelse af effekten

I tilfælde af vand kan effekten observeres ved at dryppe det ned i gryden, mens gryden varmes op. Først, når overfladetemperaturen er under 100 °C , spreder vandet sig ganske enkelt ud over det og fordamper gradvist. Når de når 100 °C , vil vanddråber fordampe med et sus og hurtigere. Yderligere, efter at temperaturen overstiger Leidenfrost-punktet, begynder denne effekt at vise sig: ved kontakt med gryden samles dråberne til små kugler og løber rundt om det - vandet koger ikke væk i gryden meget længere end ved lavere temperaturer. Fænomenet observeres, indtil temperaturen bliver så høj, at dråberne begynder at fordampe for hurtigt til, at det kan opstå.

Hovedårsagen er, at ved temperaturer over Leidenfrost-punktet fordamper bunden af dråben øjeblikkeligt ved kontakt med en varm overflade. Det resulterende lag af damp suspenderer resten af dråben over overfladen, hvilket forhindrer direkte kontakt mellem det flydende vand og det varme legeme. Da dampens varmeledningsevne er meget lavere end væskens varmeledningsevne, bremses varmeudvekslingen mellem dråben og gryden, hvilket tillader dråben at glide over gryden på gaslaget nedenunder.

Den temperatur, hvor effekten begynder at vise sig, er svær at forudsige på forhånd. Selvom væskens volumen forbliver konstant, kan værdien af Leidenfrost-punktet variere på komplekse måder afhængigt af overfladens egenskaber samt urenheder i væsken. Nogle undersøgelser blev ikke desto mindre udført på en teoretisk model af systemet, hvilket dog viste sig at være meget vanskeligt [10] . Et af de ret grove skøn giver værdien af Leidenfrost-punktet for en dråbe vand i en gryde ved 193 ° C.

Leidenfrost-punktet kan også tages som den temperatur, hvor " svævningen " af dråben varer længst tid [11] .

Leidenfrost punkt

Leidenfrost-punktet angiver begyndelsen af stabil fordampning med udseendet af et lag gas omkring væsken. Dette er det punkt på fordampningskurven, hvor varmefluxen når sine minimumsværdier, og hele grænsefladen mellem væsken og den faste overflade er dækket af et lag gas. Varmeudvekslingen mellem væsken og den opvarmede overflade sker på grund af varmeledning og stråling under fordampningsprocessen. Når overfladetemperaturen stiger, bliver strålingen gennem filmen mere mærkbar, og varmefluxen øges også.

Minimumsværdien af varmefluxen kan udledes af Zuber-ligningen [11] :

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

hvor alle værdier er taget ved kogetemperaturen. Zubers konstant, , er omkring 0,09 for de fleste væsker ved næsten atmosfærisk tryk . $C$

Varmeoverførselsforhold

Varmeoverførselskoefficienten kan tilnærmelsesvis beregnes ud fra Bromley-ligningen for stabil filmkogning [11] :

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

hvor er den ydre diameter af røret.

D_o

Værdien af konstanten er 0,62 for vandrette cylindre og lodrette plader og 0,67 for kugler. Dampparametrene tages for filmtemperaturen. $C$

For stabil filmkogning på en vandret overflade modificerede Berenson Bromley-ligningen som følger [12] :

h = 0{,}425 \venstre[ \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}.

[ afklare (ingen kommentar angivet) ]

For lodrette rør foreslog Su og Westwater følgende ligning [12] :

h \venstre[ \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},

hvor er flowet i pund per meter i timen gennem den øverste ende af røret.

m

Ved temperaturer over dem, hvor den minimale varmeflux observeres, bliver bidraget fra termisk stråling mærkbart, som dominerer ved endnu højere temperaturer. Den samlede varmeoverførselskoefficient ses derfor bedst som en kombination af de to nævnte. Bromley foreslog følgende ligninger for de ydre overflader af vandrette rør:

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

hvis [ præciser (ingen kommentar angivet) ] , $h_\tekst{rad} < h_\tekst{konv}$

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

Den effektive strålingskoefficient kan udtrykkes som $h_\tekst{rad}$

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

hvor er kroppens emissivitet ,

\varepsilon

\sigma

er Stefan-Boltzmann konstanten .

Noter

↑ CSI | Fysikken bag fire fantastiske demonstrationer (link utilgængeligt) . Dato for adgang: 3. januar 2012. Arkiveret fra originalen 15. august 2009. (ubestemt)
↑ Rips, Samuil Markovich. Kryogenik - bevarelse af kulde // Teknik - ungdom. 1969, nr. 5 (maj) s. 2. - "I slutningen af forrige århundrede, i stålværker, viste erfarne arbejdere nogle gange nytilkomne et trick: et øjeblik dyppede de deres hånd i smeltet stål. Intensiv fordampning i et splitsekund beskyttede huden mod forbrændinger.
↑ Metallurgisk mosaik / #209 . magasin "Metalforsyning og salg". - “Den franske tryllekunstner Robert-Houdin , der levede i det 19. århundrede, blev kaldt illusionisternes konge. Hans repertoire omfattede rene fakirnumre med smeltet og rødglødende metal. Han dyppede frygtløst sin hånd i den smeltede dåse, vaskede sig med den og skyllede endda sin mund med smeltet jern, lagde en jernstang, rødglødende i ansigtet. En del af hans bedrift udføres af nogle moderne stålarbejdere, der kan krydse en stråle af smeltet stål med deres bare hænder. Dampfilmen, der øjeblikkeligt dannes på hånden, beskytter den mod alvorlige forbrændinger. Sandsynligvis var dette Robert-Houdins tricks. Hentet: 26. januar 2013. (Russisk)
↑ En stålmager fra Armenien talte om et trick med smeltet metal
↑ http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
↑ Studenter sluger ind i medicinsk litteratur - WPI
↑ Leidenfrost-effekt opdaget i bulkmaterialer
↑ I. G. Leidenfrost. Afhandling om nogle egenskaber ved almindeligt vand = Johann Gottlob Leidenfrost. De aquae communis nonnullis qualitatibus. — Duisburg, 1756.
↑ Sir William Fairbairn . To forelæsninger: Konstruktionen af kedler og om kedeleksplosioner med forebyggelsesmidler (engelsk) . — 1851.
↑ Bernardin og Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point," Transactions of the ASME, (Vol. 124, okt. 2002)
↑ 1 2 3 Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6. udgave.
↑ 1 2 James R. Welty; Charles E. Wicks; Robert E. Wilson; Gregory L. Rorrer., "Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer" 5. udgave, John Wiley and Sons