Эффект Лейденфроста

Описание:

Если капнуть воды на раскаленную пластину (сковороду или очень горячий утюг), то, казалось бы, капля должна быстро испариться (чем горячее, тем быстрее), но этого не наблюдается. Образовав маленький шарик, шипя и подпрыгивая, капля очень медленно превращается в пар. Как объяснить это явление?

 

Объяснение:

Под капелькой образуется упругий слой пара. Он является плохим проводником тепла, поэтому капля испаряется медленно.

 

Подробнее:

Данное явление долгоживущих капель является проявлением поверхностного или пленочного кипения и называется эффектом Лейденфроста.

 

Вот, что пишет о данном эффекте Джерл Уокер (перевод с англ.):

 

«Моя бабушка однажды показала, как пленочное кипение помогает определить, достаточно ли разогрелась сковородка для блинов. После того как она немного нагрела пустую сковородку, она брызнула на нее несколько капель воды. Капли с шипением испарились за несколько секунд. Их быстрое исчезновение показало ей, что сковорода еще недостаточно горяча для теста. Нагрев сковороду сильнее, она повторила проверку, брызнув еще воды. В этот раз капли свернулись в шарики и крутились на металлической поверхности более минуты, перед тем, как исчезнуть. Теперь сковорода была достаточно горяча для блинного теста.


Для изучения бабушкиного опыта я нагрел плоскую металлическую пластину лабораторной горелкой. Контролируя температуру пластины термопарой, я аккуратно ронял каплю дистиллированной воды из шприца, расположенного точно над пластиной (шприц дал мне возможность получать капли одинакового размера). Капля падала в углубление, сделанное в пластине молотком с шаровым бойком. Уронив каплю, я изучал время ее жизни на пластине. Затем я нарисовал график зависимости времени жизни капель от температуры пластины (рис.3). У графика есть интересный пик. При температуре пластины от 100°С и приблизительно до 200°С каждая капля растекалась по пластине тонким слоем и быстро испарялась. При температуре пластины около 200°C капля сворачивалась и жила около минуты. При более высокой температуре пластины водяные шарики не держатся так долго. Подобные эксперименты с водопроводной водой дали график с более плоским пиком, возможно из-за того, что взвешенные частицы прорывают слой плохо проводящего тепло пара.


Рисунок 1. Кривая времени жизни капли воды на горячей поверхности

 

Тот факт, что капля воды, нанесенная на металл, температура которого гораздо выше температуры кипения воды, живет долго, был впервые описан еще в 1732 году, но достаточно широко не исследовался до 1756 года, пока Иоганн Готлиб Лейденфрост не опубликовал свой "Трактат о некоторых свойствах обычной воды". Из-за того, что работа Лейденфроста не переводилась с латыни до 1965 года, она оказалась мало известной. Тем не менее, сейчас именно его имя связывается с явлением долговременности жизни капли на горячей пластине. Кроме того, температура, соответствующая пику полученного мною графика зависимости времени жизни капли от температуры поверхности (рис.1), называется точкой Лейденфроста.

 

При температуре пластины ниже точки Лейденфроста вода растекается по пластине и быстро отводит тепло от нее, что обеспечивает полное испарение капли за несколько секунд. Когда температура равна или выше точки Лейденфроста, нижняя часть капли, нанесенной на пластинку, почти мгновенно испаряется, и давление образовавшегося пара не позволяет остальной части капли коснуться пластины (рис. 2).

 

Рисунок 2. Парящая капля над горячей пластиной в поперечном сечении

 

Слой пара постоянно пополняется за счет дополнительной воды, испаряющейся с нижней поверхности, благодаря теплу от пластины, которое излучается и проводится сквозь пар. Хотя толщина слоя менее 0,1 мм у наружной границы и около 0,2 мм в центре, он резко замедляет испарение капли. Таким образом, пар поддерживает и защищает каплю в течение минуты или около того.

 

Чтобы показать течение пара из-под капли Лейденфроста, можно посыпать пластину мелким порошком. Когда капля будет кружиться по пластине, пар, идущий из-под нее, будет сдувать с пути крупицы порошка.

 

Аналогичные опыты можно проводить не только с водой, но и с другими жидкостями. Для уксуса, например, точка Лейденфроста соответствует температуре около 250°С, для спирта - около 150°С. »

 

P.S.

Также рекомендуем ознакомиться со статьей журнала Квант:

М. Голубев, А. Кагаленко/ Капля на горячей поверхности

 

http://kvant.mccme.ru/1977/12/kaplya_na_goryachej_poverhnost.htm

или здесь

 

 

Источник:

Статья «Кипение и эффект Лейденфроста». Автор: Джерл Уокер. Государственный Университет Кливленда )

BOILING AND THE LEIDENFROST EFFECT /Jearl Walker

 

http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf

 

Категория: Видео-опыты (физика) | Добавил: Batan1st (01.02.2015)
Просмотров: 9999 | Рейтинг: 0.0/0