Почему капли воды скользят и парят на горячих поверхностях?
Капли воды словно танцуют по поверхности горячей сковороды из-за "эффекта Лейденфроста". Этот эффект приводит к образованию паровой подушки между жидкостью и поверхностью, которая удерживает капли в воздухе.
Когда вы что-то готовите, как узнать, достаточно ли нагрета сковорода для начала приготовления? Один из надежных способов проверить это — разбрызгать несколько капель воды на сковороду. Если капли сразу же превратятся в водяной пар, это означает, что сковорода горячая, но недостаточно горячая. Если же капли воды плавают и кружатся по сковороде некоторое время, прежде чем испариться, это означает, что сковорода раскалена до предела и готова к серьезным кулинарным экспериментам.
Этот простой трюк используется в наших домах уже очень давно, но что-то в нем кажется неправильным. Мы знаем, что вода испаряется при температуре около 100 °С, поэтому логично, что при более высоких температурах испарение будет происходить еще быстрее, верно? Если это так, то почему жидкая вода скачет по поверхностям, температура которых намного выше температуры ее кипения?
Что происходит с водой на горячей поверхности?
Температура кипения воды составляет около 100 °C на уровне моря, но почему вода закипает именно при этой температуре? Температура, говоря простым языком, является мерой кинетической энергии измеряемых частиц. Это означает, что при более высоких температурах частицы обладают более высокой кинетической энергией. Следовательно, они движутся более энергично, легче разрывают свои связи и постепенно расширяются до парообразного состояния. Именно поэтому вода испаряется при контакте с телом при температуре около точки кипения.
Если поместить каплю жидкой воды на поверхность, температура которой немного ниже точки кипения, то капля сплющится и будет медленно нагреваться. Однако если поверхность находится вблизи точки кипения, мы наблюдаем, что капля испаряется почти мгновенно, сопровождаясь шипящим звуком.
А что происходит, когда поверхность намного горячее, чем точка кипения воды? Испаряется ли она сразу же? И да, и нет.
При температуре, значительно превышающей температуру кипения жидкости, происходит нечто интересное.
Поскольку поверхность очень горячая, в тот момент, когда основание капли воды касается горячей поверхности, она испаряется. Это мгновенное испарение создает паровую подушку между жидкой водой и нагретой поверхностью. Этот процесс называется "пленочным кипением" и является причиной "эффекта танцующей воды", более официально известного как эффект Лейденфроста.
Эффект Лейденфроста
Этот эффект возникает, когда жидкость соприкасается с поверхностью, температура которой намного выше температуры кипения жидкости.
Эффект Лейденфроста был впервые описан немецким теологом Иоганном Готлобом Лейденфростом в 1750-х годах в рукописи под названием "Трактат о некоторых качествах обычной воды". Он проводил эксперименты, помещая капли воды на раскаленную железную ложку, когда заметил нечто удивительное: вместо того чтобы сразу закипеть, капли, казалось, оставались на ложке. На самом деле, казалось, что капли поглощают тепло от раскаленной поверхности.
Чем вызван эффект Лейденфроста?
За эффект Лейденфроста отвечает паровая подушка, создаваемая во время кипячения пленки;
Во-первых, образующийся газообразный барьер действует как теплоизолятор. Теплопроводность водяного пара почти в 20 раз меньше, чем у жидкой воды. Следовательно, паровая подушка препятствует дальнейшей передаче тепла от поверхности к жидкому слою. Именно поэтому капля воды остается жидкой даже при таких высоких температурах, но в конце концов нижние слои испаряются, и капля постепенно исчезает.
Образовавшаяся паровая подушка имеет толщину около 0,2 мм в центре и 0,1 мм по краям. Даже если она очень тонкая, этот слой оказывает давление вверх, которое удерживает каплю жидкости в воздухе. Когда мы видим эту прослойку, кажется, что капля воды волшебным образом левитирует над горячей поверхностью.
Более того, паровая прослойка также чувствительна к возмущениям. Поскольку капля воды без усилий парит над газовой подушкой, трение резко снижается. Таким образом, небольшой бугорок или легкий наклон могут заставить каплю пронестись по поверхности. Теперь вы понимаете, почему левитирующие капли кажутся беспорядочно мечущимися по поверхности.
Температура, при которой возникает эффект Лейденфроста для жидкости, называется точкой Лейденфроста. Эта точка может варьироваться от жидкости к жидкости в зависимости от свойств жидкости и характера поверхности. В случае с жидкой водой эффект Лейденфроста может проявиться при температуре от 170 до 220 °C.
Проявляется ли этот эффект в других жидкостях?
Эффект Лейденфроста может наблюдаться у любой жидкости, вылитой на поверхность, температура которой выше точки кипения. На самом деле, есть несколько интересных научных экспериментов, в которых используется этот удивительный эффект.
Эксперимент с расплавленным свинцом
Вы когда-нибудь видели, как люди погружают руки в расплавленный свинец, а затем вытаскивают их, не получая при этом ни единого ожога? Секрет этого заключается в эффекте Лейденфроста.
Температура расплавленного свинца может колебаться в пределах 300-400 °C, что намного выше температуры кипения воды. Прежде чем окунуть руки в свинец, люди сначала смачивают руки, окуная их в жидкую воду. Затем, когда рука погружается в расплавленный свинец, вода, находящаяся на ней, образует слой пара, который действует как изолирующая перчатка, предохраняя руку от ожогов. Однако этот эксперимент может стать чрезвычайно опасным, если руку оставить в расплавленном свинце надолго.
Жидкий азот
Жидкий азот — еще одна жидкость, в которой легко проявляется эффект Лейденфроста. Если капнуть на поверхность при комнатной температуре или вылить в воздух, жидкий азот скользит по поверхности, как стеклянные бусинки. Это прекрасная демонстрация эффекта Лейденфроста. Температура кипения жидкого азота составляет около -196 °C. Обычная комнатная температура (20 °C) намного выше температуры кипения азота, поэтому жидкий азот испытывает пленочное кипение при обычных температурах.
Есть ли у этого эффекта серьезное применение в реальной жизни, помимо крутых научных демонстраций? Да! На самом деле, эффект Лейденфроста применяется повсеместно — от струйных принтеров до ядерных реакторов.
Ядерные реакторы используют водяные теплообменники для контроля температуры. Здесь эффект Лейденфроста может оказаться злодеем.
При перегреве реакторов пленочное кипение приводит к образованию слоя пара, который, в свою очередь, препятствует передаче тепла от реактора к воде. Это делает теплообменник менее эффективным и влияет на правильное функционирование реактора. Следовательно, в ядерных реакторах эффект Лейденфроста всегда должен контролироваться, чтобы предотвратить ядерные катастрофы, подобные той, что произошла на Фукусиме.
Мы также можем использовать эффект Лейденфроста для манипулирования движением жидкостей. Ученые обнаружили, что если на горячей поверхности создать повторяющиеся острые гребни, то капли могут двигаться по ним, как по лестнице.
Также для перемещения капель воды по нужным путям используются специальные лабиринты, созданные с помощью рифленых поверхностей и гидрофобных покрытий. Этот вид управляемого движения жидкости имеет ряд интересных применений в генерации электрического тока и гидродинамике. Таким образом, будущая сфера применения эффекта Лейденфроста безгранична.
Эффект Лейденфроста — пример странной природы науки и термодинамики. Теперь, когда вы понимаете науку, стоящую за этим классным явлением, вы официально открыли способность заставлять капли воды левитировать и танцевать по команде!