لیدن فراست چیست؟



گزارش کردن صدای ایراناثر لیدنفراست که به آن جوش فیلم نیز می‌گویند، پدیده‌ای است که زمانی رخ می‌دهد که یک مایع در نقطه‌ای قرار می‌گیرد که بسیار بالاتر از نقطه جوش آن مایع است. . در این زمان، لایه ای از بخار مایع، مایع را احاطه کرده و به دلیل رسانایی حرارتی کم گاز، مایع از جوشیدن سریع محافظت می شود. این پدیده معمولا در آشپزی دیده می شود. این پدیده زمانی رخ می دهد که دمای تابه بالاتر از نقطه لیدنفراست باشد که تقریباً ۱۹۳ درجه سانتیگراد (۳۷۹ درجه فارنهایت) برای آب است. این پدیده همچنین باعث حرکت سریع (و عدم تبخیر سریع) نیتروژن مایع در هنگام ریختن روی زمین می شود. این پدیده همچنین برای انجام کارهای گیج کننده مانند لمس سرب مذاب با انگشت خیس استفاده می شود.[۱] این پدیده به افتخار یوهان گوتلوب لیدنفراست نامگذاری شده است. این شخص در سال ۱۷۵۶ به بررسی این پدیده پرداخت.

رفتار آب هنگام برخورد با جسم داغ. نمودار مقدار جریان گرما با توجه به دما

این اثر زمانی قابل مشاهده است که قطرات آب در زمان های مختلف با حرارت دادن بر روی ظرف پاشیده شود. در ابتدا، چون دمای ظرف بسیار کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) است، آب متراکم می شود و به آرامی تبخیر می شود، یا اگر دمای ظرف بسیار کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) باشد، آب با افزایش دما تابه به بالای ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) مایع می ماند، قطره آب هنگام لمس ظرف صدایی ایجاد می کند و این قطرات به سرعت تبخیر می شوند. بعداً، با افزایش دما از نقطه لیدنفراست، اثر لیدنفراست وارد عمل می شود. پس از تماس با تابه، قطرات آب گلوله‌های کوچکی از آب تشکیل می‌دهند و در اطراف آن ترک می‌خورند که بسیار بیشتر از زمانی که دمای تابه کمتر بود دوام می‌آورد. این اثر تا زمانی کار می کند که دمای بسیار بالاتر باعث شود که قطرات آب بعدی به سرعت تبخیر شوند و این اثر را ایجاد کنند.

این به این دلیل است که در دمای بالاتر از نقطه لیدنفراست، قسمت پایین قطره آب به دلیل تماس با دیگ داغ بخار می شود. گاز حاصل، بقیه قطرات آب را درست بالای خود معلق می کند و از تماس مستقیم آب مایع بیشتر با دیگ داغ جلوگیری می کند. از آنجایی که رسانایی حرارتی بخار بسیار ضعیف تر از ظرف فلزی است، انتقال حرارت بیشتر بین ظرف و قطره به طور چشمگیری کند می شود. این همچنین باعث می شود که قطره بتواند در اطراف تابه روی لایه گاز درست زیر آن بلغزد.

پیش بینی دمای شروع اثر لیدنفراست آسان نیست. حتی اگر حجم قطره مایع ثابت بماند، نقطه لیدنفراست ممکن است کاملاً متفاوت باشد، با یک وابستگی پیچیده به خواص سطح و همچنین هرگونه ناخالصی در مایع. برخی تحقیقات بر روی یک مدل نظری از سیستم انجام شده است، اما بسیار پیچیده است.[۲]به عنوان یک تخمین بسیار تقریبی، نقطه لیدنفراست برای یک قطره آب در یک تشت ممکن است در ۱۹۳ درجه سانتیگراد (۳۷۹ درجه فارنهایت) رخ دهد.

این اثر همچنین توسط طراح برجسته دیگ بخار ویکتوریایی، سر ویلیام فیربرن، توصیف شد و به تأثیر آن در کاهش بسیار زیاد انتقال حرارت از سطح آهن داغ به آب، مانند داخل دیگ بخار اشاره کرد. او در یک جفت سخنرانی در مورد طراحی دیگ بخار، به کار پیر هیپولیت بوتیگنی (۱۸۸۴-۱۷۹۸) و پروفسور بومن از کالج کینگ، لندن در مطالعه این موضوع اشاره کرد. یک قطره آبی که تقریباً بلافاصله در دمای ۱۶۸ درجه سانتیگراد (۳۳۴ درجه فارنهایت) تبخیر شد، به مدت ۱۵۲ ثانیه در دمای ۲۰۲ درجه سانتیگراد (۳۹۶ درجه فارنهایت) باقی ماند. در نتیجه دمای پایین در محفظه دیگ ممکن است باعث تبخیر سریع آب شود. مقایسه کار Mpemba. یک روش جایگزین، افزایش دما به بالای نقطه لیدنفراست بود. Fairbairn این را در نظر گرفت و شاید به یک دیگ فلاش فکر کرد، اما جنبه های فنی را در آن زمان غیرقابل غلبه یافت.

نقطه لیدنفراست همچنین ممکن است دمایی باشد که در آن یک قطره معلق بیشتر دوام می آورد.[۳]

ثابت شده است که لایه بخار لیدنفراست آب را می توان با استفاده از سطوح فوق آبگریز تثبیت کرد. در این حالت، هنگامی که لایه بخار تشکیل می شود، خنک سازی هرگز لایه را فرو نمی ریزد و هیچ هسته ای رخ نمی دهد. در عوض، لایه به آرامی شل می شود تا سطح سرد شود.[۴]

اثر Leidenfrost برای توسعه طیف‌سنجی جرمی محیطی با حساسیت بالا استفاده شده است. تحت تأثیر شرایط لیدنفراست، قطره چسبنده مولکول ها را آزاد نمی کند و مولکول ها در داخل قطره غنی می شوند. در آخرین لحظه تبخیر قطرات، تمام مولکول های غنی شده در بازه زمانی کوتاهی آزاد می شوند و در نتیجه حساسیت افزایش می یابد.[۵]

موتور حرارتی مبتنی بر اثر Leidenfrost نمونه اولیه شده است. این مزیت اصطکاک بسیار کم را دارد.[۶]

نقطه لیدنفراست شروع جوشیدن فیلم پایدار را نشان می دهد. نشان دهنده نقطه ای در منحنی جوشکاری است که در آن شار حرارتی در حداقل است و سطح کاملاً توسط یک پتوی بخار پوشانده شده است. انتقال حرارت از سطح به مایع از طریق هدایت و تابش از طریق بخار صورت می گیرد. در سال ۱۷۵۶، لیدنفراست مشاهده کرد که قطرات آب که توسط یک لایه بخار حمایت می شود، به آرامی تبخیر می شوند، زیرا روی سطح گرم شده حرکت می کنند. با افزایش دمای سطح، تابش از طریق فیلم بخار قابل توجه تر می شود و شار گرما با افزایش دمای اضافی افزایش می یابد.

حداقل شار حرارتی برای یک صفحه افقی بزرگ را می توان از معادله زوبر به دست آورد:

{\displaystyle {{\frac {q}{A}}_{min}}=C{{h}_{fg}}{{\rho }_{v}}{{\left[{\frac {\sigma g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)}{{\left({{\rho }_{L}}+{{\rho }_{v}}\right)}^{2}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}}

که در آن خواص در دمای اشباع ارزیابی می شود. ثابت زوبر، C، تقریباً ۰.۰۹ برای اکثر مایعات در فشار متوسط ​​است.