라이덴프로스트 효과

라이덴프로스트 효과는 액체의 끓는점보다 상당히 뜨거운 표면에 가까운 액체가 액체가 빠르게 끓지 않도록 하는 절연성 증기층을 생성하는 물리적 현상이다.이 반발력 때문에, 물방울은 표면 위를 맴돌며, 물방울과 물리적으로 접촉하지 않습니다.이 효과는 독일 의사 Johann Gottlob Leidenfrost의 이름을 따서 명명되었는데, 그는 이것을 "일반 물의 일부 품질에 관한 문서"에서 설명했다.

이것은 요리할 때, 뜨거운 팬에 물방울을 뿌릴 때 가장 흔하게 볼 수 있다.팬의 온도가 라이덴프로스트 지점(물의 경우 약 193°C(379°F) 이상일 경우, 물은 팬을 스쳐 지나가며 물방울을 쿨러 팬에 뿌렸을 때보다 증발하는 데 더 오래 걸립니다.

세부 사항

달궈진 팬에 물방울이 여러 번 뿌려지는 효과를 볼 수 있다.처음에는 팬의 온도가 100°C(212°F)를 조금 밑돌면 물이 평탄해져 서서히 증발하거나 팬의 온도가 100°C(212°F)를 훨씬 밑돌면 물이 액체 상태를 유지합니다.팬의 온도가 100°C(212°F) 이상으로 올라가면 팬에 닿으면 물방울이 쉬익 소리를 내며 빠르게 증발합니다.온도가 라이덴프로스트 지점을 초과하면 라이덴프로스트 효과가 나타납니다.팬에 닿으면, 물방울들은 작은 물덩어리로 뭉쳐지고, 팬의 온도가 낮을 때보다 훨씬 더 오래 지속된다.이 효과는 훨씬 더 높은 온도가 이 효과를 일으키기 위해 더 이상의 물방울이 너무 빨리 증발할 때까지 작용합니다.

이는 라이덴프로스트 지점 이상의 온도에서 물방울의 바닥 부분이 핫팬과 접촉하면 즉시 증발하기 때문이다.그 결과 발생하는 가스는 바로 위에 있는 나머지 물방울을 부유시켜 액체 물과 뜨거운 팬 사이의 직접적인 접촉을 방지합니다.증기는 금속 팬보다 열전도율이 훨씬 떨어지기 때문에 팬과 액체 사이의 열전달이 현저하게 느려집니다.이것은 또한 낙하물이 바로 아래의 가스 층에서 팬 주위를 미끄러질 수 있는 결과를 낳습니다.

라이덴프로스트 효과가 나타나는 온도는 예측하기 어렵다.액체 방울의 부피가 같더라도 라이덴프로스트점은 상당히 다를 수 있으며, 표면의 성질과 액체 중의 불순물에 따라 복잡하다.이 시스템의 이론적인 모델에 대해 몇 가지 연구가 이루어졌지만, 상당히 ^[1]복잡합니다.

이 효과는 빅토리아 시대의 유명한 증기 보일러 설계자인 윌리엄 페어베언 경이 보일러 내부와 같은 뜨거운 철 표면에서 물로의 열 전달을 크게 감소시키는 효과와 관련하여 설명했습니다.보일러 ^[2]디자인에 관한 두 강의에서, 그는 이것을 연구하면서 피에르 히폴리트 부티니와 런던 킹스 칼리지의 보우만 교수의 작품을 인용했다.168°C(334°F)에서 거의 즉시 증발된 물방울은 202°C(396°F)에서 152초 동안 지속되었다.보일러 화기의 온도가 낮을수록 물이 더 빨리 증발할 수 있습니다. 음펨바 효과를 비교하십시오.다른 접근법은 라이덴프로스트 지점 너머로 온도를 높이는 것이었다.Fairbairn은 이 점도 고려했으며 플래시 증기 보일러를 고려했을 수도 있지만, 당분간은 극복할 수 없는 기술적 측면을 고려했습니다.

라이덴프로스트 지점은 호버링 물방울이 가장 ^[3]오래 지속되는 온도로도 간주할 수 있다.

초소수성 표면을 이용하여 물의 라이덴프로스트 증기층을 안정시키는 것이 가능하다는 것이 입증되었다.이 경우, 일단 증기층이 형성되면 냉각은 층을 붕괴시키지 않고 핵 비등도 발생하지 않습니다. 대신 표면이 ^[4]냉각될 때까지 층은 서서히 이완됩니다.

끓는 온도가 다른 액체 방울도 서로 라이덴프로스트 효과를 나타내며 ^[5]서로 밀어냅니다.

라이덴프로스트 효과는 고감도 주변 질량 분석법의 개발에 사용되어 왔다.라이덴프로스트 조건의 영향으로 부유액적은 분자를 방출하지 않고 그 분자는 액체 안에서 농축된다.액체 증발 마지막 순간에는 모든 농축 분자가 단시간에 방출되어 감도를 ^[6]높인다.

라이덴프로스트 효과를 기반으로 한 열 엔진은 프로토타입으로 제작되었으며 ^[7]마찰이 매우 적다는 장점이 있습니다.

라이덴프로스트점

라이덴프로스트 포인트는 안정적인 필름 비등 시작을 나타냅니다.이것은 열 유속이 최소이고 표면이 증기 담요로 완전히 덮여 있는 비등 곡선의 지점을 나타냅니다.표면에서 액체로의 열 전달은 증기를 통한 전도 및 방사선에 의해 발생합니다.1756년 라이덴프로스트는 증기막으로 지탱된 물방울이 뜨거운 표면에서 움직이면서 천천히 증발하는 것을 관찰했다.표면 온도가 상승함에 따라 증기막을 통한 복사가 더욱 중요해지고 과열과 함께 열속도 증가한다.

대형 수평 플레이트의 최소 열 유속은 Zuber ^[3]방정식을 통해 도출할 수 있습니다.

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

포화 온도에서 특성이 평가됩니다.Zuber의 상수 C$(\style$ C$)$는 보통 압력에서 대부분의 유체에 대해 약 0.09입니다.

열전달 상관관계

열전달 계수는 브롬리 ^[3]방정식을 사용하여 근사할 수 있다.

${\displaystyle h=C{\left[{\frac {k_{v}^{3}{\rho}_{v}}g\left {\rho}_{L}}-{\rh}_{v}}\rh}\left {h}_{fg}+0.4}.{{c}_{filength}}\left{filename}}T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{D}_{o}}{\mu }_{v}}\left({{})T}_{s}}-{{T}_{sat}\right}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup\!!{}_{4}\;}}}$

${\displaystyle {}_{}}$서 D$$o {{$displaystyle${{$D}_{o}}}$는 튜브의 외경입니다.상관 상수 C는 수평 실린더 및 수직 플레이트의 경우 0.62이고 구체의 경우 0.67입니다.증기 특성은 필름 온도에서 평가됩니다.

수평 표면에서 안정적인 필름 비등을 위해 베렌슨은 브롬리의 방정식을 수정하여 ^[8]산출했습니다.

${\displaystyle h=0.425g\left[{\frac {k_{g}^{{rho}_{rho}_{\rho}_{{v}}\rh}\left{h}_{fg}+0.4}.{{c}_{filength}}\left{filename}}T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{\mu }_{mu}}\left{T}_{s}}-{{T}_{sat}\right}{\sqrt {sigma /g\left({\rho}_{L}}-{\rho}_{v}}\right)}}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup\!!{}_{4}\;}}}$

수직 튜브의 경우 Hsu와 Westwater는 ^[8]다음 방정식을 상관시켰다.

${\displaystyle h{\left[{\frac {_{v}^2}}{g{\rho}_{v}}\left({\rho}_{L}})-{\rho}_{v}}{3}}\right]^{{}^{1}\!\!\diagup\!!{}_{3}\;}=0.0020gars\left[{\frac {4m}{\pi {D}_{v}}{\mu }_{v}}}}\right]{0.6}}}$

여기서 m은 튜브 상단의 질량 유량(${\displaystyle 단위{}_{}}$: l b${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ / ${\displaystyle h}$ { $displaystyle$ l$bb }$ _ {$m}$ / $hr$$$） 。

최소 열속보다 높은 온도에서는 방사선의 기여가 현저해지고 높은 온도에서는 우위에 서게 된다.따라서 총 열 전달 계수는 두 가지 조합입니다.Bromley는 수평 튜브의 외부 표면에서 막 비등하는 것에 대해 다음과 같은 방정식을 제안했습니다.

${{h}^{}^{4}\!\!\diagup\!!{}_{3}\;}}=hargh}_{conv}}^{}^{4}\!\!\diagup\!!{}_{3}\;}+{h}_{rad}}{h}^{{}^{1}\!\!\diagup\!!{}_{3}\;}}}$

r < nv \ $displaystyle${{$h}_{rad}}$ < {$h}_{conv$인 ,

$({displaystyle h=hargh}_{conv}}+{\frac {3}{4}}{h}_{rad}})$

유효방사선계수 ${\displaystyle {\mathrm{hr}}_{}}$ a ${\displaystyle d_{}}${{$displaystyle${{$h}_{rad}}}$는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

${\displaystyle {{h}_{rad}=frac {varepsilon \display \left(T_{s}^{4}-T_{sat}^4}\right} {\left({})T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}}$

여기서$(\displaystyle\varepsilon)$는 고체의 방사율이고$\delta {\displaystyle }$(\$displaystyle\sigma)$는 스테판-볼츠만 상수입니다.

라이덴프로스트 액적 내 압력장

액적과 고체 표면 사이의 증기 영역 내 압력장 방정식은 표준 운동량 및 연속성 방정식을 사용하여 해결할 수 있습니다.해결의 단순화를 위해 증기상 내에서 선형 온도 프로파일과 포물선 속도 프로파일을 가정한다.기상 내 열전달은 전도에 의한 것으로 가정한다.이 근사치를 사용하여 Navier는–스토크스 방정식을 풀어 압력장을 ^[9]얻을 수 있습니다.

라이덴프로스트 온도 및 표면 장력 효과

라이덴프로스트 온도는 주어진 고액 쌍의 특성입니다.액체가 라이덴프로스트 현상을 겪는 고체 표면의 온도를 라이덴프로스트 온도라고 합니다.라이덴프로스트 온도 계산에는 유체의 최소 막 비등 온도가 계산됩니다.베렌슨은^[10] 최소 열유속 인수로부터 최소 필름 비등 온도에 대한 관계를 구했다.상기 참조에서 알 수 있는 최소막 비등온도의 방정식은 매우 복잡하지만 그 특징은 물리적 관점에서 이해할 수 있다.고려해야 할 중요한 파라미터 중 하나는 표면장력이다.표면 장력이 높은 유체는 핵 비등 시작을 위해 더 많은 양의 열 플럭스를 필요로 하기 때문에 최소 필름 비등 온도와 표면 장력 사이의 비례 관계가 예상되어야 한다.필름 비등은 핵 비등 후에 발생하기 때문에 필름 비등 최소 온도는 표면 장력에 비례하여 의존해야 합니다.

헨리는 일시적인 습윤과 미세층 증발을 포함하는 ^[11]라이덴프로스트 현상에 대한 모델을 개발했습니다.라이덴프로스트 현상은 필름 비등 시 특수한 경우이기 때문에 라이덴프로스트 온도는 사용되는 고체의 특성 중 어떤 요소들을 통해 최소 필름 비등 온도와 관련이 있습니다.라이덴프로스트 온도는 유체의 표면 장력과 직접 관련이 없지만 필름 비등 온도를 통해 간접적으로 유체에 의존합니다.유사한 열물리학적 특성을 가진 유체의 경우 표면 장력이 높은 유체는 일반적으로 라이덴프로스트 온도가 더 높습니다.

예를 들어 포화 상태의 워터-구리 인터페이스의 경우 라이덴프로스트 온도는 257°C(495°F)입니다.글리세롤과 일반 알코올의 라이덴프로스트 온도는 표면 장력 값이 낮기 때문에 상당히 작습니다(밀도 및 점도 차이도 요인입니다).

반응성 라이덴프로스트 효과

2015년에는 비휘발성 물질이 발견되어 '반응성 라이덴프로스트 효과'를 나타내는데, 이 경우 고형 입자가 뜨거운 표면 위를 떠다니며 불규칙하게 ^[12]날아다니는 것이 관찰되었다.고속촬영을 통해 고온 연마 표면의 셀룰로오스 소립자(~0.5mm)에 대한 반응성 라이덴프로스트 효과의 상세한 특성 분석을 완료하였다.셀룰로오스는 표면 온도 상승과 관련된 열 전달을 증가시키면서 매끄러운 표면을 녹이고 습윤시키는 짧은 사슬 올리고머로 분해되는 것으로 나타났다.675°C(1,247°F) 이상에서는 셀룰로오스가 격렬한 거품과 함께 전이 비등 현상을 보이고 열 전달이 감소하는 것으로 관찰되었다.셀룰로오스 액적(오른쪽에서 감소)의 방출은 열 ^[12]전달의 급격한 감소와 관련하여 약 750°C(1,380°F) 이상에서 발생하는 것으로 관찰되었다.

다공질 표면(대공질 알루미나)에 대한 셀룰로오스 반응성 라이덴프로스트 효과의 고속 촬영도 반응성 라이덴프로스트 효과를 억제하고 표면에서 입자로의 전체적인 열 전달 속도를 향상시키는 것으로 나타났다.새로운 현상인 '무차원 라이덴프로스트(RL) 효과'는 고체 입자 열 전달의 시간 상수와 입자 반응의 시간 상수를 관련짓는 무차원 양(== //),)으로_RLrxn 특징지어졌으며, 반응 라이덴프로스트 효과는⁻¹ 10 < < < 10⁺¹ < 10 10_convRL ) 동안 발생했다.셀룰로오스와의 반응성 라이덴프로스트 효과는 바이오매스 전환, 식품 준비 및 조리, 담배 ^[12]사용을 포함한 탄수화물 폴리머와 함께 수많은 고온 애플리케이션에서 발생할 것이다.

라이덴프로스트 효과는 또한 다양한 유기 액체를 열분해하여 다양한 제품으로 변환함으로써 화학적 변화를 촉진하는 수단으로 사용되어 왔다.예를 들어 에탄올,^{[13] [14]}탄산디에틸 및 글리세롤의 ^[15]분해가 있다.

대중문화에서

1876년 쥘 베른의 책 미카엘 스트로고프에서 주인공은 눈물을 ^[16]증발시켜 뜨거운 칼날에 눈이 멀게 되는 것을 구한다.

2009년 MythBusters의 시즌 7 피날레 "Mini Myth Mayhem"에서 팀은 라이덴프로스트 효과를 과학적 근거로 ^[17]사용하여 손을 적셔 부상 없이 용융 납에 잠깐 담글 수 있다는 것을 시연했다.

「 」를 참조해 주세요.

• 임계 열유속
• 핵비등
• 지역 베타 역설

레퍼런스

외부 링크

• Jearl Walker의 효과와 시연에 관한 에세이(PDF)
• 미국 오리건 대학의 Heiner Linke가 만든 고속 동영상, 사진 및 영화 끓이기 설명 사이트
• 라이덴프로스트 효과를 컴퓨터 칩 냉각에 사용하는 것에 대해 BBC 뉴스의 "과학자들은 물을 오르막으로 흐르게 한다".
• "업힐 워터" - ABC Catalyst 스토리
• Leidenfrost Maze - Bath 대학 학부생 Carmen Cheng과 Matthew Guy
• 「물이 위로 흐를 때」- 다카시나 케이 목욕대학 교수와 함께 하는 사이언스 프라이데이
• Jeffrey, Colin (March 10, 2015). "Engine running on frozen carbon dioxide may power mission to Mars". Gizmag. Retrieved 10 March 2015.
• Carolyn Embach, ResearchGate: Johan Gottlob Leidenfrost, De quae communications nonnullis qualitatibus tracatus, 1756년. (Carolyn S. E. Wares a ka Carolyn Embach, 번역자, 1964년)