Savladajte definiciju Leidenfrostovog efekta, rad, karakteristike i 6 aplikacija [PDF]

Zadnje ažuriranje Ali Abbasa Khana 19. svibnja 2023

U ovom ćemo članku detaljno proučiti Leidenfrostov učinak. Dostavili smo PDF poveznicu za isto.

Ponekad primijetite aktivnost kao kad prskamo kapljice vode na vruću tavu da provjerimo njezinu temperaturu, voda se formira u stvarno male kuglice i počinje kliziti po tavi i treba joj više vremena da ispari, također sposobnost tekućeg dušika da klizi po podu je svi primjeri leidenfrostovog učinka.

Fotografija: Science Notes

Što je Leidenfrostov učinak

Leidenfrostov učinak je fenomen koji se javlja kada se tekućina unese na vrlo vruću površinu, stvarajući sloj pare između sebe i površine kontakta. To je zato što tekućina odjednom postane toliko vruća da počinje isparavati, stvarajući parnu branu koja sprječava izravan kontakt tekućine s vrućom površinom.

Djelovanje Leidenfrostovog efekta

Leidenfrostov učinak može se vidjeti kada se kapljice vode izliju na vruću tavu. U početku, pri nižim temperaturama, voda sporo isparava ili ostaje tekuća. Kad temperatura posude prijeđe 100 °C (212 °F), kapljice vode počnu šištati i brzo ispare nakon kontakta. Međutim, kada temperatura prijeđe određenu točku poznatu kao Leidenfrostova točka. Kapljice vode oblikuju se u male loptice i lebde po tavi, a potrebno im je više vremena nego prije da ispare. Taj se učinak nastavlja sve dok puno viša temperatura ne uzrokuje brzo isparavanje dodatnih kapljica vode.

Leidenfrostov efekt nastaje jer, na temperaturama jednakim ili višim od Leidenfrostove točke, donji dio kapljice vode trenutno isparava nakon dodira s vrućom tavom. Nastala para suspendira preostalu kapljicu vode neposredno iznad površine, sprječavajući izravan kontakt. Kao što znamo, para ima lošu toplinsku vodljivost u usporedbi s metalnom posudom, a prijenos topline između posude i kapljice znatno se usporava. To omogućuje kapljici da klizi po tavi na sloju pare ispod nje.

Određivanje točne Leidenfrostove točke je izazovno jer ovisi o različitim čimbenicima kao što su nečistoće u tekućini i svojstva njezine površine. Korištenjem superhidrofobnih površina možemo stabilizirati leidenfrostov parni sloj vode, omogućujući kontinuiranu levitaciju kapljica i sprječavajući jezgrovo ključanje.

Foto: Dreamstime

Primjena Leidenfrost efekta je sljedeća

• Masena spektrometrija za povećanu osjetljivost.
• Toplinski motori koji pružaju prednosti poput smanjenog trenja.
• Učinak je primjenjiv kada je površina na sobnoj temperaturi, a naknadna tekućina je kriogene prirode, što znači da dopušta kapljicama dušika da se kotrljaju po ljudskoj koži bez ikakvih oštećenja.
• Suprotno od ovog efekta je levitacija toplih kapljica tekućine na kadi s tekućim dušikom.

Jednadžba za leidenfrostovu točku

Leidenfrostova točka je temperatura na kojoj se javlja Leidenfrostov efekt. To je granična temperatura iznad koje kapljica tekućine na vrućoj površini formira sloj pare, levitira i pokazuje karakteristično ponašanje povezano s učinkom.

Leidenfrostova točka može se aproksimirati pomoću sljedeće jednadžbe

Tl = Tb + (2/3) * (Ts – Tb)

gdje,

• Tl je Leidenfrostova točka
• Tb je vrelište tekućine,
• Ts je temperatura vruće površine.

Ova se jednadžba temelji na pretpostavci da je parni sloj tanak i zanemaruje svaki učinak uzrokovan teksturom površine, svojstvima tekućine i drugim čimbenicima koji mogu utjecati na Leidenfrostovu točku.

Karakteristike leidenfrost efekta

• Oblik kapljice: Kada kapljica tekućine doživi ovaj učinak, formira sferoidni oblik zbog sila površinske napetosti. Kako bi se olakšalo stvaranje parnog jastuka. Ovaj oblik minimalizira područje kontakta s površinom
• Pokretljivost: Kapljica pokazuje pokretljivost na parnom jastuku, dopuštajući različita kretanja po površini. Ova kretanja su pod utjecajem gradijenta površine iu tom su smjeru ili na njih mogu utjecati drugi vanjski čimbenici
• Produženi životni vijek: Leidenfrostov učinak produljuje životni vijek kapljice u usporedbi s izravnim kontaktom s površinom. Parni jastuk djeluje kao izolator, smanjujući prijenos topline i usporavajući proces isparavanja.
• Zvuk šištanja ili cvrčanja: Kada kapljica doživi Leidenfrostov efekt, generira se karakterističan zvuk šištanja ili cvrčanja nakon kontakta kapljica vode s vrućom površinom. Ovaj zvuk nastaje zbog brzog isparavanja koje se događa na periferiji kapljice.
• Ovisnost o temperaturi: Ovaj učinak ovisi o temperaturi površine za njegovu pojavu. Samo kada površinska temperatura prijeđe određeni prag poznat kao Leidenfrostova točka, ovaj se učinak pokazuje.
• Izolacijski parni sloj: Prisutnost parnog sloja između kapljice tekućine i vruće površine još je jedna karakteristika ovog učinka. Ovaj sloj pare djeluje kao izolator, sprječava izravan kontakt i smanjuje prijenos topline.

Foto: Dreamstime

Primjeri Leidenfrostovog efekta iz stvarnog svijeta

• Kapljice vode na vrućoj tavi: Kad kapljice vode prskamo po zagrijanoj tavi. Kapljice se oblikuju u male kuglice i počinju kliziti po površini, potrebno im je više vremena da ispare nego što bi isparilo na nižim temperaturama zagrijane posude.
• Tekući dušik i izložena koža: Izuzetno hladan tekući dušik pokazuje Leidenfrostov učinak kada dođe u dodir s izloženom kožom. Umjesto da uzrokuju štetu, kapljice tekućeg dušika lagano se kotrljaju zbog sloja pare koji se formira između kože i tekućine.
• Vrući predmeti i prskanje vodom: Ako je vrući objekt poput užarene metalne kugle uronjen u vodu, kapljice vode koje dotaknu površinu predmeta formiraju se u male kapljice koje poskakuju umjesto da trenutno ispare.
• Kapljice na grijaćoj ploči: Kada kapljice vode dođu u dodir s grijaćom pločom, one počnu lebdjeti i kliziti iznad površine, ponovno im treba više vremena da ispare kao što bi bilo u izravnom kontaktu
• Kriogene tekuće kapljice: Kriogene tekućine uključuju tekući dušik ili tekući helij, kada se ispuste na površinu koja je toplija od njihove odgovarajuće točke vrelišta, stvaraju sloj pare i pokazuju Leidenfrostov efekt, lebdeći i klizeći po parnom jastuku.
• Vruće ulje u kuhanju: kad god kapljice vode slučajno padnu u vruće ulje tijekom kuhanja, mogu pokazati Leidenfrostov učinak i treba im više vremena da ispare

Foto: Dreamstime

Pitanja

Što je inverzni leidenfrostov učinak

Da shvatimo gledajući video u kojem uvodimo kapljice tople vode na površinu tekućeg dušika. Primjećujemo da se kapljice odbijaju od površine i pokazuju druge karakteristike.

zaključak

U zaključku, Leidenfrostov učinak je zapanjujući fenomen gdje tekućina stvara sloj pare kada dođe u dodir s mnogo toplijom površinom. Pokazuje jedinstvene karakteristike poput produljenog vijeka trajanja, levitacije kapljica i pokretljivosti na parnom jastuku. Duboko razumijevanje i iskorištavanje ovog učinka može dovesti do prevencije opeklina, poboljšanog prijenosa topline i energetske učinkovitosti u različitim područjima. Daljnje istraživanje Leidenfrostovog učinka obećava napredak u upravljanju toplinom i interakcijama tekućina, s potencijalnim primjenama u raznim industrijama.