پدیده لایدن‌فراست

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
Leidenfrost droplet fa.svg
یک ویدئو که نمایشگر پدیده لیدن‌فراست است.

پدیده لیدن‌فراست (به انگلیسی: Leidenfrost effect) که با نام جوش فیلم نیز شناخته می‌شود، یک پدیده است که زمانی رخ می‌دهد که یک مایع در نقطه‌ای قرار گیرد که بسیار بالاتر از نقطه جوش آن مایع است. در این هنگام لایه‌ای از بخار مایع دور مایع را فرا می‌گیرد و به علت پایین بودن رسانایی گرمایی گاز، مایع از جوشش سریع حفاظت می‌شود. این پدیده معمولاً در پخت‌وپز دیده می‌شود. اگر دمای ماهی‌تابه بیشتر از نقطه لایدن‌فراست، که تقریباً ۱۹۳ درجه سانتیگراد (۳۷۹ درجه فارنهایت) برای آب است، باشد این پدیده رخ می‌دهد. این پدیده همچنین عامل حرکت سریع (و عدم تبخیر سریع) نیتروژن مایع هنگام ریختن روی زمین است. از این پدیده نیز جهت انجام کارهای محیرالعقول مثلاً دست زدن با انگشت خیس به سرب مذاب به کار می‌رود.[۱] این پدیده به نام یوهان گوتلب لایدن‌فراست نامگذاری شده‌است. این فرد در سال ۱۷۵۶ این پدیده را بررسی نمود.

رفتار آب در هنگام برخورد با یک جسم داغ. نمودار میزان شارش گرما برحسب دما

جزئیات[ویرایش]

این اثر را می‌توان در هنگام پاشیدن قطره‌های آب بر روی یک ظرف در زمان‌های مختلف با گرم شدن مشاهده کرد. در ابتدا، چون دمای ظرف کاملاً زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) است، آب صاف شده و به آرامی تبخیر می‌شود، یا اگر دمای ظرف خیلی کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) باشد، آب می‌ماند مایع همان‌طور که دمای ظرف از ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) بالاتر می‌رود، قطره آب هنگام لمس تشت صدا می‌کند و این قطرات به سرعت تبخیر می‌شوند. بعداً، با افزایش دما از نقطه لیدنفراست، اثر لیدنفراست وارد عمل می‌شود. در تماس با تابه، قطرات آب به صورت گلوله‌های کوچک آب درآمده و اطراف آن شکاف می‌خورند، که مدت زمان آن بسیار بیشتر از زمانی است که دمای تشت کمتر بود. این اثر تا زمانی که دمای بسیار بالاتر باعث تبخیر سریع قطرات بعدی آب شود و باعث ایجاد این اثر شود، کار می‌کند.

این بدان دلیل است که در دمای بالاتر از نقطه لیدنفراست، قسمت پایینی قطره آب در اثر تماس با دیگ داغ بخار می‌شود. گاز حاصل، بقیه قطرات آب را دقیقاً بالای آن معلق می‌کند و از تماس مستقیم بیشتر آب مایع با دیگ داغ جلوگیری می‌کند. از آنجا که هدایت گرمایی بخار نسبت به ظرف فلزی بسیار ضعیف تر است ، انتقال حرارت بیشتر بین ظرف و قطره به طرز چشمگیری کند می‌شود. این همچنین منجر به این می‌شود که قطره بتواند دور تشت را روی لایه گاز درست زیر آن لغزاند.

پیش‌بینی 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 خصوصیات سطح و همچنین هر گونه ناخالصی در مایع. برخی از تحقیقات در مورد یک مدل نظری از سیستم انجام شده‌است، اما کاملاً پیچیده‌است.[۲]به عنوان یک تخمین بسیار دقیق، نقطه لیدنفراست برای یک قطره آب روی ماهیتابه ممکن است در دمای ۱۹۳ درجه سانتیگراد (۳۷۹ درجه فارنهایت) رخ دهد.

این اثر همچنین توسط طراح برجسته دیگ بخار ویکتوریا، سر ویلیام فیربیرن، با اشاره به تأثیر آن در کاهش گسترده انتقال حرارت از سطح آهن داغ به آب، مانند درون یک دیگ بخار، توصیف شد. وی در جفت سخنرانی در مورد طراحی دیگ بخار، به کار پیر هیپولیت بوتیگنی (۱۷۹۸–۱۸۸۴) و پروفسور بومن از کالج کینگ، لندن در مطالعه این موضوع اشاره کرد. یک قطره آب که تقریباً بلافاصله در دمای ۱۶۸ درجه سانتیگراد (۳۳۴ درجه فارنهایت) بخار شد برای ۱۵۲ ثانیه در دمای ۲۰۲ درجه سانتیگراد (۳۹۶ درجه فارنهایت) ماندگار شد. در نتیجه ممکن است درجه حرارت پایین در محفظه دیگ بخار باعث تبخیر سریعتر آب شود. مقایسه اثر Mpemba. یک روش جایگزین افزایش دما بیش از نقطه لیدنفراست بود. Fairbairn این مسئله را نیز در نظر گرفت و شاید در مورد دیگ بخار فلش نیز فکر می‌کرد، اما جنبه‌های فنی آن زمان را غیرقابل عبور دانست.

نقطه لیدنفراست همچنین ممکن است دمایی باشد که قطره معلق برای آن بیشتر طول بکشد.[۳]

ثابت شده‌است که با بهره‌برداری از سطوح فوق آبگریز می‌توان لایه بخار لیدنفراست آب را تثبیت کرد. در این حالت، پس از ایجاد لایه بخار، خنک سازی هرگز لایه را فرو نمی‌ریزد و هیچ جوش هسته ای رخ نمی‌دهد. در عوض لایه به آرامی شل می‌شود تا زمانی که سطح آن خنک شود.[۴]

از اثر لیدنفراست برای توسعه طیف‌سنجی جرم محیط با حساسیت بالا استفاده شده‌است. تحت تأثیر شرایط لیدنفراست، قطره چسبنده مولکول‌ها را آزاد نمی‌کند و مولکول‌ها درون قطره غنی می‌شوند. در آخرین لحظه تبخیر قطرات، تمام مولکولهای غنی شده در یک محدوده زمانی کوتاه آزاد می‌شوند و بنابراین حساسیت را افزایش می‌دهند.[۵]

موتور گرمائی مبتنی بر اثر لیدنفراست نمونه اولیه شده‌است. این مزیت از اصطکاک بسیار کم است.[۶]

نقطه لیدنفراست[ویرایش]

نقطه لیدنفراست نشانگر شروع جوشاندن فیلم پایدار است. این نشان دهنده نقطه روی منحنی جوش است که در آن شار گرما در حداقل است و سطح آن کاملاً توسط یک پتو بخار پوشانده شده‌است. انتقال گرما از سطح به مایع توسط هدایت و تشعشع از طریق بخار اتفاق می‌افتد. در سال ۱۷۵۶، لیدنفراست مشاهده کرد که قطرات آب که توسط فیلم بخار پشتیبانی می‌شوند، با حرکت روی سطح گرم، به آرامی تبخیر می‌شوند. با افزایش دمای سطح، تابش از طریق فیلم بخار قابل توجه تر می‌شود و با افزایش دمای اضافی شار گرما افزایش می‌یابد.

حداقل شار گرما برای یک صفحه افقی بزرگ را می‌توان از معادله Zuber بدست آورد:

که در آن خصوصیات در دمای اشباع ارزیابی می‌شوند. ثابت Zuber , C برای اکثر مایعات در فشارهای متوسط تقریباً ۰۹/۰ است.

میدان فشار در یک قطره لیدنفراست[ویرایش]

معادله میدان فشار در منطقه بخار بین قطره و سطح جامد را می‌توان با استفاده از معادلات استاندارد حرکت و پیوستگی حل کرد. به منظور سادگی در حل، یک پروفایل دما خطی و یک مشخصات سرعت سهمی در مرحله بخار فرض می‌شود. فرض می‌شود که انتقال حرارت درون فاز بخار از طریق رسانایی است. با این تقریب‌ها می‌توان معادله Navier-Stokes[۷] را حل کرد تا میدان فشار را بدست آورد.

اثرات دما و لیدن فراست[ویرایش]

دمای لیدنفراست خاصیت یک مجموعه خاص از جفت جامد-مایع است. دمای سطح جامد که مایع بیش از آن تحت پدیده لیدنفراست قرار می‌گیرد، به عنوان دمای لیدنفراست نامیده می‌شود. محاسبه دمای لیدنفراست شامل محاسبه حداقل دمای جوش فیلم یک مایع است. Berenson[۸] رابطه ای را برای حداقل دمای جوش فیلم از استدلال‌های حداقل شار گرما بدست آورد. در حالی که معادله حداقل دمای جوش فیلم، که در مرجع فوق یافت می‌شود، کاملاً پیچیده‌است، از منظر فیزیکی می‌توان ویژگی‌های آن را درک کرد. یک پارامتر مهم که باید در نظر گرفت کشش سطحی است. رابطه متناسب بین حداقل دمای جوش فیلم و کشش سطحی انتظار می‌رود زیرا مایعات با کشش سطح بالاتر برای شروع جوش هسته به مقادیر بیشتری از شار گرما نیاز دارند. از آنجا که جوشاندن فیلم پس از جوشاندن هسته رخ می‌دهد، حداقل دما برای جوشاندن فیلم باید به تنش سطحی وابسته باشد.

هنری مدلی برای پدیده لیدنفراست ایجاد کرد که شامل خیس شدن زودگذر و تبخیر ریز لایه است.[۹] از آنجا که پدیده لیدنفراست مورد خاصی از جوشاندن فیلم است، دمای لیدن فراست از طریق رابطه ای که در خصوصیات ماده جامد مورد استفاده قرار دارد به حداقل دمای جوش فیلم مربوط می‌شود. در حالی که دمای لیدنفراست ارتباط مستقیمی با کشش سطحی سیال ندارد، اما از طریق دمای جوش فیلم به‌طور غیر مستقیم به آن وابسته است. برای مایعاتی که دارای خصوصیات ترموفیزیکی مشابه هستند، مایعاتی که دارای کشش سطحی بیشتری هستند معمولاً دمای لیدن فراست بیشتری دارند.

به عنوان مثال، برای یک رابط آب و مس اشباع، دمای لیدنفراست ۲۵۷ درجه سانتیگراد (۴۹۵ درجه فارنهایت) است. دمای لیدن‌فراست برای گلیسرول و الکل‌های معمولی به دلیل مقادیر کششی سطح پایین‌تر، به‌طور قابل توجهی کوچکتر است (اختلاف چگالی و ویسکوزیته نیز از عوامل مؤثر در این امر هستند).

اثر واکنشی لیدنفراست[ویرایش]

مواد غیر فرار در سال ۲۰۱۵ کشف شد تا «اثر لیدن فراست واکنش پذیر» را نیز به نمایش بگذارد، به موجب آن ذرات جامد بر روی سطوح داغ شناور شده و به‌طور نامنظمی سر و صدا می‌کنند. توصیف دقیق اثر لیدنفراست واکنش پذیر برای ذرات کوچک سلولز (~ ۰٫۵ میلی‌متر) در سطوح صیقلی با درجه حرارت بالا توسط عکسبرداری با سرعت بالا انجام شد. نشان داده شد که سلولز به الیگومرهای با زنجیره کوتاه متصل می‌شود که با افزایش انتقال حرارت همراه با افزایش دمای سطح، سطوح صاف را ذوب و مرطوب می‌کند. بالاتر از ۶۷۵ درجه سانتیگراد (۱٬۲۴۷ درجه فارنهایت)، سلولز در حال جوشکاری با حباب شدید و کاهش همراه انتقال حرارت است. برداشتن قطره سلولز (در سمت راست به تصویر کشیده شده) مشاهده شد که بالاتر از حدود ۷۵۰ درجه سانتیگراد (۱۳۸۰ درجه فارنهایت) همراه با کاهش چشمگیر انتقال گرما رخ می‌دهد.

در فرهنگ عامه[ویرایش]

در کتاب ژول ورن مایکل استروگف در سال ۱۸۷۶، شخصیت اصلی با تبخیر اشک از کور شدن با تیغ داغ نجات می‌یابد.[۱۰]

در فینال فصل 7 MythBusters 2009، "Mini Myth Mayhem"، تیم نشان داد که یک شخص می‌تواند دست خود را خیس کند و به مدت کوتاهی بدون آسیب دیدگی آن را در سرب مذاب فرو برد، و از اثر لیدنفراست به عنوان مبنای علمی استفاده کند.[۱۱]

منابع[ویرایش]

  1. «CSI | The Physics Behind Four Amazing Demonstrations». بایگانی‌شده از اصلی در ۱۵ اوت ۲۰۰۹. دریافت‌شده در ۶ مه ۲۰۱۱.
  2. Bernardin, John D.; Mudawar, Issam (2002). "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point". Journal of Heat Transfer. 124 (5): 864–74. doi:10.1115/1.1470487.
  3. Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th edition. Pages 325-330
  4. Vakarelski, Ivan U.; Patankar, Neelesh A.; Marston, Jeremy O.; Chan, Derek Y. C.; Thoroddsen, Sigurdur T. (2012). "Stabilization of Leidenfrost vapour layer by textured superhydrophobic surfaces". Nature. 489 (7415): 274–7. Bibcode:2012Natur.489..274V. doi:10.1038/nature11418. PMID 22972299. S2CID 4411432.
  5. Subhrakanti Saha, Lee Chuin Chen, Mridul Kanti Mandal, Kenzo Hiraoka (March 2013). "Leidenfrost Phenomenon-assisted Thermal Desorption (LPTD) and Its Application to Open Ion Sources at Atmospheric Pressure Mass Spectrometry". Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 24 (3): 341–7. Bibcode:2013JASMS..24..341S. doi:10.1007/s13361-012-0564-y. PMID 23423791. S2CID 39368022.
  6. Wells, Gary G.; Ledesma-Aguilar, Rodrigio; McHale, Glen; Sefiane, Khellil (3 March 2015). "A sublimation heat engine". Nature Communications. 6: 6390. Bibcode:2015NatCo...6.6390W. doi:10.1038/ncomms7390. PMC 4366496. PMID 25731669.
  7. Carey, Van P. , Liquid Vapor Phase change Phenomena
  8. Berenson, P.J. , Film boiling heat transfer from a horizontal surface بایگانی‌شده در ۲۰۱۵-۰۴-۰۲ توسط Wayback Machine, Journal of Heat Transfer, Volume 83, 1961, Pages 351-362
  9. Henry, R.E. , [A correlation for the minimum film boiling temperature],Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. , Volume 70, 1974, Pages 81-90
  10. https://pdfs.semanticscholar.org/6946/ff2f44746f410a42782e3347bce06d7fca16.pdf
  11. "Mini-Myth Mayhem". Mythbusters. Season 7. Episode 136. December 28, 2009. Discovery Channel. https://www.discovery.com/tv-shows/mythbusters/full-episodes/mini-myth-mayhem.

پیوند به بیرون[ویرایش]