XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Эффект Лейденфроста

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шуянова А.В. 1

---

1мбоу сш №3

Солнышкина Е.И. 1

---

1мбоу сш №3

Работа в формате PDF

683.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наверняка, вы знаете такую сказку, где по условию Царь должен был искупаться в трёх этих котлах, чтобы царевна вышла за него замуж. Эта небылица вполне возможна в реальной жизни, хоть молодцом вы и не обратитесь. Если окунуть палец в емкость с водой, а затем быстро-быстро окунуть его в емкость с расплавленным свинцом, то вы даже не обожжетесь? Ожога не будет благодаря изолирующему слою пара, который моментально формируется вокруг пальца. Химики и физики хорошо знакомы с данным явлением, которое называется эффектом Лейденфроста. Меня заинтересовало данное явление, захотелось подробнее изучить его, узнать возможно ли повторить «подвиг» героя сказки Ершова «Конек Горбунок».

Гипотеза: Зная теорию эффекта Лейденфроста, может ли любой человек попробовать себя в роли исполнителя опасных трюков.

В связи с этим, цель данной работы: «Исследование явления – эффект Лейденфроста и его роли в современной жизни».

Для достижения данной цели, были поставлены следующие задачи:

Задачи:

Изучить теорию эффекта Лейденфроста.

Исследовать:

как зависит время «жизни» капли воды от температуры;

зависит ли движение капли воды от рельефа поверхности.

Экспериментально получить точку Лейденфроста для воды.

Экспериментально подтвердить теорию эффекта Лейденфроста.

Объектом исследований является Эффект Лейденфроста.

В ходе работы использовались следующие методы исследования:

Изучение и анализ информации в сети ИНТЕРНЕТ

Эксперимент

Актуальность исследования: Я думаю, что каждому человеку было интересно, как люди могут ходить по раскаленным углям, опускать руку в свинец. Поэтому я хочу выяснить, какое физическое явление лежит в основе данных трюков, и где это используется в реальной жизни.

Основная часть

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Открытие явления

Как вы думаете, может ли капля воды парить над поверхностью как волшебник в сказке? А ведь это вполне возможно, что и доказывает эффект Лейденфроста. Если нагреть электрическую конфорку выше 200 градусов Цельсия и капнуть на нее воду, то можно видеть, как капли образуют сферы (в результате действия сил поверхностного натяжения) и начинают скатываться в разные стороны. Впервые это явление описал немецкий физик Иоганн Готлоб Лейденфрост в 18 веке.Длительным существованием капля обязана тонкой прослойке из пара собственной жидкости, который выступает в качестве теплоизолирующего слоя, замедляя ее испарение.Помимо того, что капля, благодаря «паровой подушке», существенно продлевает свою жизнь, она еще и левитирует над горячей поверхностью. В научной литературе левитирующие, то есть «танцующие» капли известны как капли Лейденфроста. Данное явление долгоживущих капель является проявлением поверхностного или пленочного кипения и называется эффектом Лейденфроста. Тот факт, что капля воды, нанесенная на металл, температура которого гораздо выше температуры кипения воды, живет долго, был впервые описан еще в 1732 году, но достаточно широко не исследовался до 1756 года, пока Иоганн Готлиб Лейденфрост не опубликовал свой "Трактат о некоторых свойствах обычной воды". Из-за того, что работа Лейденфроста не переводилась с латыни до 1965 года, она оказалась мало известной. Тем не менее, сейчас именно его имя связывается с явлением долговременности жизни капли на горячей пластине. Лейденфрост делал опыты с железной ложкой, докрасна раскаленной в горне. Помещая в ложку каплю воды, он измерял время ее жизни с помощью качающегося маятника. Он отметил, что капля, казалось, всасывала свет и тепло ложки, оставляя на поверхности пятно более тусклое, чем остальная часть ложки. Первая капля продержалась в ложке 30 секунд, вторая капля - только 10, последующие - лишь несколько секунд.  Лейденфрост неправильно понял результаты своих опытов, потому что не осознал, что долгоживущие капли на самом деле кипели. Это объясняется тем, что при температуре пластины ниже точки Лейденфроста вода растекается по пластине и быстро отводит тепло от нее, что обеспечивает полное испарение капли за несколько секунд. Когда температура равна или выше точки Лейденфроста, нижняя часть капли, нанесенной на пластинку, почти мгновенно испаряется, и давление образовавшегося пара не позволяет остальной части капли коснуться пластины. Слой пара постоянно пополняется за счет дополнительной воды, испаряющейся с нижней поверхности, благодаря теплу от пластины, которое излучается и проводится сквозь пар. Хотя толщина слоя менее 0.1 мм у наружной границы и около 0.2 мм в центре, он резко замедляет испарение капли. Таким образом, пар поддерживает и защищает каплю в течение минуты или около того. 

Рис.1

1.2 Эффект Лейденфроста в действии

Эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем точка кипения этой жидкости, создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого выкипания. При определенных условиях капля жидкости, находящаяся на очень горячей поверхности, испаряется не сразу, а за счет теплоизолирующей прослойки из собственного пара существует довольно длительное время.

В 2006 году было обнаружено, что на поверхности со специальным рельефом капля Лейденфроста способна совершать направленное движение. Объяснение, которое дали в своей статье авторы этого открытия, оказалось неправильным. Коллектив ученых из Франции, проведя серию экспериментов, выяснил истинный механизм перемещения капли. Фактически она представляет собой «корабль на воздушной подушке», источник тяговой силы в котором — течение пара из теплоизолирующей прослойки. В последние годы изучение динамических характеристик капель разнообразных жидкостей привлекает всё больше ученых. Отчасти этот интерес обусловлен появлением высокоскоростных видеокамер, способных до мельчайших подробностей запечатлеть поведение капель на поверхности с заданными физическими и химическими параметрами, их соударение, а также взаимодействие капель с различными телами и средами. Анализ этих видеоданных позволяет, во-первых, проверить существующие теоретические модели, описывающие эти явления, а во-вторых, выявить какие-нибудь новые факты, не предсказанные теориями. Исследование динамики капель имеет также и большое прикладное значение: его результаты используются в технологиях lab-on-a-chip, струйной печати, охлаждении разбрызгиванием и даже в таком приземленном процессе, как покраска. Если проанализировать опубликованные данные экспериментов, посвященных нестационарному поведению капель, то в большинстве случаев причиной, заставляющей эти объекты двигаться, является гравитация. Чтобы понять, каким образом эффект Лейденфроста двигает капли, необходимо сделать небольшое отступление и рассказать чуть подробнее об этом явлении. Длительным существованием капля обязана тонкой прослойке из пара собственной жидкости, который выступает в качестве теплоизолирующего слоя, замедляя ее испарение.

Рис.2 

Пока температура поверхности меньше 100°C, время существования объекта неуклонно уменьшается и достигает 200 мс в предельной точке (точке кипения воды). При этой температуре капля непосредственно соприкасается с подложкой и закипает. Когда температура возрастает со 100 до 150°C, срок жизни капли за счет образования изолирующего слоя пара быстро растет. Максимальное время жизни капли определяет так называемую температуру Лейденфроста, индивидуальную для каждой жидкости. Также эта температура зависит от степени чистоты жидкости, качества поверхности, структуры и других факторов вплоть до того, каким образом капля была положена на подложку. В данном конкретном примере с водой она составляет около 150°C.

1.3 Эффект Лейденфроста в повседневной жизни.

Физическое явление под названием эффект Лейденфроста мы можем наблюдать в различных ситуациях:

При проверке, хорошо ли раскалена сковорода (с помощью брызг воды).

При исполнении трюков с опусканием рук в расплавленный свинец.

При ходьбе по горячим углям.

При исполнении фокуса с выплёвыванием жидкого азота.

Как ни обычно это явление, вы, скорее всего, не замечали всех его удивительных особенностей. С одними нельзя не считаться на практике, другие позволяют проводить весьма опасные трюки, которые когда-то показывали на карнавалах. 
Начнем с наблюдения. Нагреем кастрюлю водопроводной воды снизу пламенем или электрическим источником тепла. При нагревании воды растворенные в ней молекулы газов выделяются из раствора и собираются в крошечные пузырьки в трещинах на дне кастрюли. (Эти участки достаточно малы, чтобы поверхностное натяжение не дало воде залить их при наполнении кастрюли.) Со временем каждый пузырек раздувается, и его плавучесть увеличивается. В конце концов, пузырек отрывается от трещины и всплывает на поверхность воды. Так как трещина еще заполнена воздухом, там начинает образовываться другой пузырек. Образование пузырьков воздуха - знак того, что вода нагревается, но это еще далеко не кипение. 

Рис.3 Образование пузырьков: (a) - пузырек газа, который удерживается на неровностях поверхности сосуда; (b)-(f) - пузырек растет, отрывается и поднимается. 
Вода, соприкасающаяся с атмосферой, кипит при температуре, например, t_k = 100°C при давлении воздуха 1 атм. Так как вода на дне кастрюли не соприкасается с атмосферой, она остается жидкостью, даже если нагревается выше t_k на несколько градусов. При нагреве и перегреве она постоянно смешивается с остальной водой путем конвекции (горячая вода поднимается, а более холодная вода опускается на ее место). 
При дальнейшем повышении температуры кастрюли нижний слой воды начнет испаряться, и молекулы воды будут собираться в маленькие пузырьки пара в сухих трещинах. Эта фаза кипения отмечена отрывистыми звуками, гудением и иногда жужжанием. Каждый раз, когда пузырек пара поднимается в более холодную воду, он внезапно исчезает, потому что пар внутри него конденсируется. Когда температура всей массы воды повысится, пузырьки не смогут исчезнуть, пока они не оторвутся от трещин и не пройдут часть пути к поверхности воды. 
Если вы продолжаете нагревать кастрюлю, шум исчезающих пузырьков становится громче, а потом прекратится. Шум начинает смягчаться, когда вся вода достаточно горяча, чтобы пузырьки пара достигли поверхности; там они лопаются с легким всплеском. Теперь вода кипит. Если ваш источник тепла - кухонная плита, история здесь кончается. Однако с помощью лабораторной горелки вы сможете продолжить повышать температуру кастрюли. Теперь пузырьки пара становятся столь многочисленными и отрываются от своих трещин так быстро, что они объединяются и образуют столбы пара, которые бурно и хаотически поднимаются вверх, иногда встречая ранее оторвавшиеся "куски" пара. Образование пузырьков и столбов пара называется пузырчатым ("зародышевым") парообразованием - образование и рост пузырьков зависит от трещин, служащих зародышевыми участками (рис.2).

Рис.4 Кривая кипения воды. 1 - пузырчатое кипение, 2 - изолированные пузырьки, 3 - столбы и "куски" пара, 4 - переходный режим кипения, 5 - пленочное кипение. (По оси абсцисс показано насколько температура поверхности выше точки кипения воды) 
Если вы продолжаете повышать температуру кастрюли, парообразование вступает в новую фазу, называемую переходным режимом. Теперь при каждом последующем повышении температуры кастрюли скорость передачи тепла воде уменьшается. Этоуменьшение - не парадокс. В переходном режиме большая часть дна кастрюли покрыта слоем пара. Так как водяной пар передает тепло на порядок хуже, чем жидкость, передача тепла воде уменьшается. Чем горячее становится кастрюля, тем меньше ее прямой контакт с водой и тем хуже передача тепла. На практике эта ситуация может оказаться опасной. Например, для теплообменника, задача которого - снять тепло с источника. Если допустить, чтобы вода в теплообменнике вошла в переходный режим, источник может опасно перегреться из-за уменьшения отвода тепла. 
Вернемся к нашим наблюдениям. Допустим, вы все еще продолжаете повышать температуру кастрюли с помощью лабораторной горелки. В конце концов, вся поверхность дна покроется паром, и тепло будет медленно передаваться жидкости над паром в основном путем излучения. Эта фаза называется пленочным кипением. 
Хотя вы не можете получить пленочное кипение в кастрюле, грея воду на кухонной плите, в кухне оно иногда встречается. Моя бабушка однажды показала, как пленочное кипение помогает определить, достаточно ли разогрелась сковородка для блинов. После того как она немного нагрела пустую сковородку, она брызнула на нее несколько капель воды. Капли с шипением испарились за несколько секунд. Их быстрое исчезновение показало ей, что сковорода еще недостаточно горяча для теста. Нагрев сковороду сильнее, она повторила проверку, брызнув еще воды. В этот раз капли свернулись в шарики и крутились на металлической поверхности более минуты, перед тем как исчезнуть. Теперь сковорода была достаточно горяча для теста. 
Изучив исследования Лейденфроста, а вспомнила описание интересного трюка, который показывали на карнавалах в начале века. Рассказывают, что исполнитель мог окунать мокрые пальцы в расплавленный свинец. Решив, что там не было надувательства, я предположила, что этот трюк должен основываться на эффекте Лейденфроста. Надо сказать, что погружение пальцев в расплавленный свинец представляет собой серьезную опасность. Если температура свинца лишь чуть выше точки плавления, потеря тепла при испарении воды может привести к затвердению свинца на пальцах. Если выдергивать из сосуда получившуюся "перчатку" изгорячего твердого свинца, она будет контактировать с пальцами так долго, что они обязательно будут обожжены. Кроме того, очень опасны слишком мокрые пальцы. Когда избыточная вода испаряется, она может вызвать разбрызгивание расплавленного свинца на все окружающее и, что особенно серьезно, в глаза.
Похожий пример использования эффекта Лейденфроста описан в бестселлере Роберта Руанка "Нечто значительное". Чтобы определить, кто из двух людей говорит правду, вождь африканской деревни приказал каждому лизнуть горячий нож. Считается, что язык правдивого человека будет смочен слюной. Тогда часть слюны подвергнется пленочному кипению, и язык не будет обожжен. С другой стороны, у лжеца пересохнет во рту, и защиты пленочным кипением не будет. 
Пленочное кипение можно также увидеть, когда проливается жидкий азот - большие и маленькие капли сворачиваются в шарики и катаются по полу. Температура жидкого азота около -200°С (точнее, -196°С). Когда капля пролитой жидкости приближается к полу, ее нижняя поверхность испаряется, образовавшийся слой пара поддерживает оставшуюся жидкость, позволяя ей прожить удивительно долгое время. 
Известен трюк, при котором исполнитель лил в рот жидкий азот "не обжигаясь", несмотря на его крайне низкую температуру. Жидкость немедленно подвергалась пленочному кипению по нижней поверхности и не касалась непосредственно языка.
Эффект Лейденфроста может также играть роль в другом безрассудно храбром опыте - ходьбе по горячим углям. Иногда средства массовой информации с большой шумихой и различной мистической чушью сообщают об исполнителе, шагающем по горячим углям. Заявляется, что защита от сильного ожога дается властью духа над материей. На самом деле при успешной "прогулке" ступни защищает физика. Особенно важен тот факт, что, хотя поверхность углей очень горяча, ее теплопроводность очень мала. Если исполнитель идет умеренным шагом, прикосновение ступни такое кратковременное, что она проводит от углей очень мало энергии. Конечно, более медленная ходьба может вызвать ожог, так как более долгий контакт допустит передачу ступне тепла не от поверхности, а от внутренней части углей. 
Если смочить ступни перед ходьбой, жидкость сможет также защищать их. Например, исполнитель мог пройти по сырой траве, перед тем как ступить на горячие уголья. Или его ноги могли быть просто потными из-за жара углей или возбуждения перед представлением. Когда исполнитель ступает на угли, тепло испаряет влагу на ступнях, и к коже передается меньше тепла. Кроме того, могут быть точки контакта, где жидкость подвергается пленочному кипению, что тоже дает защиту от горячих углей.

Глава 2. Опыт.

Изучив теоретический материал по данной теме, я решила провести эксперименты по исследованию:

времени жизни капли от температуры поверхности,

зависимости движения капель воды от рельефа поверхности.

А также я решила попробовать практически проверить теорию эффекта Лейденфроста.

2.1 Исследование зависимости времени «жизни» капли воды от температуры поверхности:

Увеличивая температуру поверхности, я аккуратно роняла каплю воды из шприца, расположенного точно над поверхностью (шприц дал мне возможность получать капли одинакового размера). Уронив каплю, я засекала время ее жизни на сковороде. Эксперимент проводился 3 раза.

2.2 Исследование зависимости движения капель воды от рельефа поверхности:

На сковородку, нагретую до температуры 200°C, я аккуратно роняла капли воды из шприца. Правила по технике безопасности (Приложение 1).