www.wikidata.uk-ua.nina.az

Ефект Ляйденфроста або Ефект Лейденфроста явище при якому рідина в контакті з тілом що має температуру значно вищу за то

Ефект Ляйденфроста

Ефект Ляйденфроста (або Ефект Лейденфроста) — явище, при якому рідина в контакті з тілом, що має температуру значно вищу за точку кипіння цієї рідини, створює ізолюючий шар пари, який запобігає швидкому викіпанню рідини.

Демонстрація ефекту Ляйденфроста

Явище названо на честь Йоганна Готлоба Ляйденфроста[en], який порушив цю проблему в «Трактаті про деякі властивості звичайної води» в 1756 році, хоча до нього цей феномен досліджував Герман Бургаве в 1732 році.

У повсякденному житті явище найкраще спостерігати при приготуванні їжі: для оцінки температури сковороди на неї бризкають водою — якщо температура досягла або вже є вищою за точку Ляйденфроста, вода збереться в краплі, які будуть «ковзати» по поверхні металу і випаровуватися довше, ніж якби це відбувалося на сковороді, що нагріта вище точки кипіння води, але нижче точки Ляйденфроста. Цей же ефект відповідає за подібну поведінку рідкого азоту, пролитого на підлогу.

Найбільш видовищні його демонстрації досить небезпечні: наприклад, занурення мокрих пальців в розплавлений свинець, опускання руки в розплавлену сталь або випльовування рідкого азоту/пускання кілець випарів азоту. Останнє може призвести до смерті.

У 2005 році голландські фізики показали експериментально і описали модель ефекту в сипучих середовищах.

Опис ефекту ред.

Демонстрація ефекту Ляйденфроста
Випльовування рідкого азоту

Як говорилося вище, у випадку з водою ефект можна спостерігати, капаючи на сковороду по мірі її нагрівання. Спочатку, коли температура поверхні нижча 100 °C, вода просто розтікається по ній і поступово випаровується. По досягненні 100 °C краплі будуть випаровуватися з шипінням і набагато швидше. Далі, після того як температура проходить точку Ляйденфроста, починає проявлятися зазначений ефект: при контакті з пательнею краплі збираються в маленькі кульки і переміщуються по ній — вода знаходиться в пательні значно довше, ніж при більш низьких температурах. Явище спостерігається до тих пір, поки температура не стане настільки великою, що краплі почнуть випаровуватися занадто швидко для його проявів.

Основна причина — при температурах, що вищі точки Лейденфроста, нижня частина краплі миттєво випаровується при контакті з гарячою поверхнею. Отриманий в результаті газ підтримує частину краплі над нею, запобігаючи подальшому прямому контакту між рідкою водою і гарячим тілом. Так як теплопровідність пари значно нижча, теплообмін між краплею і пательнею сповільнюється, це дозволяє краплі «їздити» по пательні на шарові з газу під нею.

Поведінка води на гарячій пластині. На графіку показаний потік тепла в залежності від температури після точки кипіння. Ефект проявляється після т. зв. перехідного кипіння (transition boiling).

Температуру, при якій починає працювати ефект, непросто передбачити заздалегідь. Навіть якщо об'єм рідини залишається постійним, точка Ляйденфроста може змінюватися в складній залежності від властивостей поверхні, а також домішок у рідині. Деякі дослідження все ж проводилися на теоретичній моделі системи, що, однак, виявилося досить складним. Одна з досить грубих оцінок дає значення точки Лейденфроста для води на пательні в 193 °C.

Явище було також описано видатним конструктором парових котлів Вікторіанської епохи Вільямом Фейрберном[en], який бачив в ньому причину сильного зменшення теплообміну між гарячим залізом і водою в паровому котлі. У двох лекціях з конструкції котлів він цитував роботу, в якій крапля, що майже миттєво випаровувалася при температурі 168 °C, зберігалася протягом 152 секунд при 202 °C: виходило, що при більш низьких температурах в топці вода може випаровуватися навіть швидше. Варіант з підвищенням температури за точку Лейденфроста також розглядався Фейрберном, що повинно було б привести його до створення котлів, на зразок тих, що використовуються в паромобілях, однак, можливості техніки того часу навряд чи це дозволяли.

За точку Ляйденфроста також можна прийняти температуру, при якій «левітація» краплі триває найдовший час.

Точка Ляйденфроста ред.

Точка Ляйденфроста вказує початок сталого пароутворення з появою плівки газу навколо рідини. Це точка на кривій пароутворення, де потік тепла досягає мінімальних значень, а вся поверхня покрита шаром газу. Теплообмін між рідиною і нагрітою поверхнею відбувається завдяки теплопровідності і випромінюванню в процесі випаровування. В 1756 році Ляйденфрост спостерігав, як краплі на тонкому шарі пару повільно випаровуються по мірі руху по поверхні. Зі зростанням температури поверхні, випромінювання через плівку стає помітніший, зростає й потік тепла.

Мінімальне значення потоку тепла можна вивести з рівняння Зубера:

де всі величини взяті при температурі кипіння. Константа Зубера, C, дорівнює приблизно 0,09 для більшості рідин за нормального тиску.

Співвідношення теплообміну ред.

Коефіцієнт теплообміну може бути приблизно обрахований з рівняння Бромлі[en] для стабільного плівкового кипіння:

де  — зовнішній діаметр трубки. Значення константи C — 0,62 для горизонтальних циліндрів і вертикальних пластин і 0,67 для сфер. Параметри пари взяті для температури плівки.

Для стабільного плівкового кипіння на горизонтальній поверхні Беренсон змінив рівняння Бромлі наступним чином:

[прояснити]

Для вертикальних трубок Су і Вестуотер запропонували наступне рівняння:

де m — потік в lb·m/h (фунтах на метр за годину) через верхній кінець трубки.

При температурах вище тих, де спостерігається мінімальний потік тепла, стає помітною компонента випромінювання, що домінує при ще більш високих температурах. Отже, загальний коефіцієнт теплообміну краще брати як комбінацію двох згаданих. Бромлі запропонував наступні рівняння для зовнішніх поверхонь горизонтальних трубок:

якщо[прояснити] ,

Коефіцієнт ефективного випромінювання, може бути виражений як

де  — випромінювальна здатність тіла, і  — стала Стефана-Больцмана.

Примітки ред.

  1. И. Г. Лейденфрост. {{{Заголовок}}}.
  2. . Архів оригіналу за 15 серпня 2009. Процитовано 13 травня 2016. 
  3. Рипс, Самуил Маркович. (1969 г., № 5 (май)). (рос.). журнал «Техника — молодежи». с. с. 2. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 26 січня 2013. «В конце прошлого века на сталелитейных заводах опытные рабочие иногда показывали новичкам фокус: на мгновение опускали руку в расплавленную сталь. Интенсивное парообразование на доли секунды предохраняло кожу от ожога.» 
  4. (рос.). журнал «Металлоснабжение и сбыт». Архів оригіналу за 20 липня 2017. Процитовано 26 січня 2013. «Французского фокусника Робера-Гудэна, жившего в XIX в., называли королем иллюзионистов. В его репертуаре были чисто факирские номера с расплавленным и раскаленным металлом. Он бесстрашно опускал руку в расплавленное олово, умывался им и даже полоскал расплавленным железом рот, прикладывал к своему лицу железный прут, раскаленный докрасна. Частично его подвиги совершают некоторые современные сталевары, которые могут голой рукой пересечь струю расплавленной стали. Мгновенно образующаяся при этом паровая плёнка на руке защищает её от сильнейшего ожога. Вероятно, в этом и заключались фокусы Робера-Гудэна.» 
  5. . Архів оригіналу за 13 грудня 2019. Процитовано 13 травня 2016. 
  6. . Архів оригіналу за 22 лютого 2014. Процитовано 13 травня 2016. 
  7. . Архів оригіналу за 13 травня 2016. Процитовано 13 травня 2016. 
  8. Bernardin and Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point, " Transactions of the ASME, (Vol. 124, Oct. 2002)
  9. Sir William Fairbairn (1851). . Архів оригіналу за 29 листопада 2014. Процитовано 13 травня 2016. 
  10. ↑ Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th edition.
  11. ↑ James R. Welty; Charles E. Wicks; Robert E. Wilson; Gregory L. Rorrer., «Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer» 5th edition, John Wiley and Sons

Посилання ред.

Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Efekt Lyajdenfrosta abo Efekt Lejdenfrosta yavishe pri yakomu ridina v kontakti z tilom sho maye temperaturu znachno vishu za tochku kipinnya ciyeyi ridini stvoryuye izolyuyuchij shar pari yakij zapobigaye shvidkomu vikipannyu ridini source source source source source source source source Demonstraciya efektu LyajdenfrostaYavishe nazvano na chest Joganna Gotloba Lyajdenfrosta en yakij porushiv cyu problemu v Traktati pro deyaki vlastivosti zvichajnoyi vodi v 1756 roci 1 hocha do nogo cej fenomen doslidzhuvav German Burgave v 1732 roci U povsyakdennomu zhitti yavishe najkrashe sposterigati pri prigotuvanni yizhi dlya ocinki temperaturi skovorodi na neyi brizkayut vodoyu yaksho temperatura dosyagla abo vzhe ye vishoyu za tochku Lyajdenfrosta voda zberetsya v krapli yaki budut kovzati po poverhni metalu i viparovuvatisya dovshe nizh yakbi ce vidbuvalosya na skovorodi sho nagrita vishe tochki kipinnya vodi ale nizhche tochki Lyajdenfrosta Cej zhe efekt vidpovidaye za podibnu povedinku ridkogo azotu prolitogo na pidlogu Najbilsh vidovishni jogo demonstraciyi dosit nebezpechni napriklad zanurennya mokrih palciv v rozplavlenij svinec 2 opuskannya ruki v rozplavlenu stal 3 4 abo viplovuvannya ridkogo azotu puskannya kilec vipariv azotu 5 Ostannye mozhe prizvesti do smerti 6 U 2005 roci gollandski fiziki pokazali eksperimentalno i opisali model efektu v sipuchih seredovishah 7 Zmist 1 Opis efektu 2 Tochka Lyajdenfrosta 3 Spivvidnoshennya teploobminu 4 Primitki 5 PosilannyaOpis efektu red source source source source source source Demonstraciya efektu Lyajdenfrosta nbsp Viplovuvannya ridkogo azotuYak govorilosya vishe u vipadku z vodoyu efekt mozhna sposterigati kapayuchi na skovorodu po miri yiyi nagrivannya Spochatku koli temperatura poverhni nizhcha 100 C voda prosto roztikayetsya po nij i postupovo viparovuyetsya Po dosyagnenni 100 C krapli budut viparovuvatisya z shipinnyam i nabagato shvidshe Dali pislya togo yak temperatura prohodit tochku Lyajdenfrosta pochinaye proyavlyatisya zaznachenij efekt pri kontakti z patelneyu krapli zbirayutsya v malenki kulki i peremishuyutsya po nij voda znahoditsya v patelni znachno dovshe nizh pri bilsh nizkih temperaturah Yavishe sposterigayetsya do tih pir poki temperatura ne stane nastilki velikoyu sho krapli pochnut viparovuvatisya zanadto shvidko dlya jogo proyaviv Osnovna prichina pri temperaturah sho vishi tochki Lejdenfrosta nizhnya chastina krapli mittyevo viparovuyetsya pri kontakti z garyachoyu poverhneyu Otrimanij v rezultati gaz pidtrimuye chastinu krapli nad neyu zapobigayuchi podalshomu pryamomu kontaktu mizh ridkoyu vodoyu i garyachim tilom Tak yak teploprovidnist pari znachno nizhcha teploobmin mizh krapleyu i patelneyu spovilnyuyetsya ce dozvolyaye krapli yizditi po patelni na sharovi z gazu pid neyu nbsp Povedinka vodi na garyachij plastini Na grafiku pokazanij potik tepla v zalezhnosti vid temperaturi pislya tochki kipinnya Efekt proyavlyayetsya pislya t zv perehidnogo kipinnya transition boiling Temperaturu pri yakij pochinaye pracyuvati efekt neprosto peredbachiti zazdalegid Navit yaksho ob yem ridini zalishayetsya postijnim tochka Lyajdenfrosta mozhe zminyuvatisya v skladnij zalezhnosti vid vlastivostej poverhni a takozh domishok u ridini Deyaki doslidzhennya vse zh provodilisya na teoretichnij modeli sistemi sho odnak viyavilosya dosit skladnim 8 Odna z dosit grubih ocinok daye znachennya tochki Lejdenfrosta dlya vodi na patelni v 193 C Yavishe bulo takozh opisano vidatnim konstruktorom parovih kotliv Viktorianskoyi epohi Vilyamom Fejrbernom en yakij bachiv v nomu prichinu silnogo zmenshennya teploobminu mizh garyachim zalizom i vodoyu v parovomu kotli U dvoh lekciyah z konstrukciyi kotliv 9 vin cituvav robotu v yakij kraplya sho majzhe mittyevo viparovuvalasya pri temperaturi 168 C zberigalasya protyagom 152 sekund pri 202 C vihodilo sho pri bilsh nizkih temperaturah v topci voda mozhe viparovuvatisya navit shvidshe Variant z pidvishennyam temperaturi za tochku Lejdenfrosta takozh rozglyadavsya Fejrbernom sho povinno bulo b privesti jogo do stvorennya kotliv na zrazok tih sho vikoristovuyutsya v paromobilyah odnak mozhlivosti tehniki togo chasu navryad chi ce dozvolyali Za tochku Lyajdenfrosta takozh mozhna prijnyati temperaturu pri yakij levitaciya krapli trivaye najdovshij chas 10 Tochka Lyajdenfrosta red Tochka Lyajdenfrosta vkazuye pochatok stalogo paroutvorennya z poyavoyu plivki gazu navkolo ridini Ce tochka na krivij paroutvorennya de potik tepla dosyagaye minimalnih znachen a vsya poverhnya pokrita sharom gazu Teploobmin mizh ridinoyu i nagritoyu poverhneyu vidbuvayetsya zavdyaki teploprovidnosti i viprominyuvannyu v procesi viparovuvannya V 1756 roci Lyajdenfrost sposterigav yak krapli na tonkomu shari paru povilno viparovuyutsya po miri ruhu po poverhni Zi zrostannyam temperaturi poverhni viprominyuvannya cherez plivku staye pomitnishij zrostaye j potik tepla Minimalne znachennya potoku tepla mozhna vivesti z rivnyannya Zubera 10 q A min C h f g r v s g r L r v r L r v 2 1 4 displaystyle frac q A text min Ch fg rho v left frac sigma g rho L rho v rho L rho v 2 right frac 1 4 nbsp de vsi velichini vzyati pri temperaturi kipinnya Konstanta Zubera C dorivnyuye priblizno 0 09 dlya bilshosti ridin za normalnogo tisku Spivvidnoshennya teploobminu red Koeficiyent teploobminu mozhe buti priblizno obrahovanij z rivnyannya Bromli en dlya stabilnogo plivkovogo kipinnya 10 h C k v 3 r v g r L r v h f g 0 4 c p v T s T sat D o m v T s T sat 1 4 displaystyle h C left frac k v 3 rho v g rho L rho v big h fg 0 4c pv T s T text sat big D o mu v T s T text sat right frac 1 4 nbsp de D o displaystyle D o nbsp zovnishnij diametr trubki Znachennya konstanti C 0 62 dlya gorizontalnih cilindriv i vertikalnih plastin i 0 67 dlya sfer Parametri pari vzyati dlya temperaturi plivki Dlya stabilnogo plivkovogo kipinnya na gorizontalnij poverhni Berenson zminiv rivnyannya Bromli nastupnim chinom 11 h 0 425 k v f 3 r v f g r L r v h f g 0 4 c p v T s T sat m v f T s T sat s g r L r v 1 4 displaystyle h 0 425 left frac k vf 3 rho vf g rho L rho v big h fg 0 4c pv T s T text sat big mu vf T s T text sat sqrt sigma g rho L rho v right frac 1 4 nbsp proyasniti Dlya vertikalnih trubok Su i Vestuoter zaproponuvali nastupne rivnyannya 11 h m v 2 g r v r L r v k v 3 1 3 0 002 0 4 m p D v m v 0 6 displaystyle h left frac mu v 2 g rho v rho L rho v k v 3 right frac 1 3 0 0020 left frac 4m pi D v mu v right 0 6 nbsp de m potik v lb m h funtah na metr za godinu cherez verhnij kinec trubki Pri temperaturah vishe tih de sposterigayetsya minimalnij potik tepla staye pomitnoyu komponenta viprominyuvannya sho dominuye pri she bilsh visokih temperaturah Otzhe zagalnij koeficiyent teploobminu krashe brati yak kombinaciyu dvoh zgadanih Bromli zaproponuvav nastupni rivnyannya dlya zovnishnih poverhon gorizontalnih trubok h 4 3 h conv 4 3 h rad h 1 3 displaystyle h frac 4 3 h text conv frac 4 3 h text rad h frac 1 3 nbsp yaksho proyasniti h rad lt h conv displaystyle h text rad lt h text conv nbsp h h conv 3 4 h rad displaystyle h h text conv tfrac 3 4 h text rad nbsp Koeficiyent efektivnogo viprominyuvannya h rad displaystyle h text rad nbsp mozhe buti virazhenij yak h rad e s T s 4 T sat 4 T s T sat displaystyle h text rad frac varepsilon sigma T s 4 T text sat 4 T s T text sat nbsp de e displaystyle varepsilon nbsp viprominyuvalna zdatnist tila i s displaystyle sigma nbsp stala Stefana Bolcmana Primitki red I G Lejdenfrost Zagolovok CSI The Physics Behind Four Amazing Demonstrations Arhiv originalu za 15 serpnya 2009 Procitovano 13 travnya 2016 Rips Samuil Markovich 1969 g 5 maj Kriogenika konservaciya holoda ros zhurnal Tehnika molodezhi s s 2 Arhiv originalu za 4 bereznya 2016 Procitovano 26 sichnya 2013 V konce proshlogo veka na stalelitejnyh zavodah opytnye rabochie inogda pokazyvali novichkam fokus na mgnovenie opuskali ruku v rasplavlennuyu stal Intensivnoe paroobrazovanie na doli sekundy predohranyalo kozhu ot ozhoga Metallurgicheskaya mozaika 209 ros zhurnal Metallosnabzhenie i sbyt Arhiv originalu za 20 lipnya 2017 Procitovano 26 sichnya 2013 Francuzskogo fokusnika Robera Gudena zhivshego v XIX v nazyvali korolem illyuzionistov V ego repertuare byli chisto fakirskie nomera s rasplavlennym i raskalennym metallom On besstrashno opuskal ruku v rasplavlennoe olovo umyvalsya im i dazhe poloskal rasplavlennym zhelezom rot prikladyval k svoemu licu zheleznyj prut raskalennyj dokrasna Chastichno ego podvigi sovershayut nekotorye sovremennye stalevary kotorye mogut goloj rukoj peresech struyu rasplavlennoj stali Mgnovenno obrazuyushayasya pri etom parovaya plyonka na ruke zashishaet eyo ot silnejshego ozhoga Veroyatno v etom i zaklyuchalis fokusy Robera Gudena Arhivovana kopiya Arhiv originalu za 13 grudnya 2019 Procitovano 13 travnya 2016 Student Gulps Into Medical Literature WPI Arhiv originalu za 22 lyutogo 2014 Procitovano 13 travnya 2016 Otkryt effekt Lejdenfrosta v sypuchih materialah Arhiv originalu za 13 travnya 2016 Procitovano 13 travnya 2016 Bernardin and Mudawar A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point Transactions of the ASME Vol 124 Oct 2002 Sir William Fairbairn 1851 Two Lectures The Construction of Boilers and on Boiler Explosions with the means of prevention Arhiv originalu za 29 listopada 2014 Procitovano 13 travnya 2016 a b v Incropera DeWitt Bergman amp Lavine Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th edition a b James R Welty Charles E Wicks Robert E Wilson Gregory L Rorrer Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer 5th edition John Wiley and SonsPosilannya red Essay about the effect and demonstrations by Jearl Walker Arhivovano 8 veresnya 2020 u Wayback Machine PDF Site with high speed video pictures and explanation of film boiling by Heiner Linke at the University of Oregon USA Scientists make water run uphill Arhivovano 30 listopada 2017 u Wayback Machine by BBC News about using the Leidenfrost effect for cooling of computer chips Uphill Water Arhivovano 8 travnya 2016 u Wayback Machine ABC Catalyst story Kipenie Arhivovano 30 kvitnya 2016 u Wayback Machine Effekt Lejdenfrosta Boiling Arhivovano 30 kvitnya 2016 u Wayback Machine Leidenfrost effect Arhivovano 30 kvitnya 2016 u Wayback Machine zhurnal Himiya i Himiki Demonstraciya Efektu Lyajdenfrosta Bozhevilnij tryuk Arhivovano 12 zhovtnya 2016 u Wayback Machine Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Efekt Lyajdenfrosta amp oldid 36591923