Γιατί τα σταγονίδια νερού πέφτουν και αιωρούνται σε καυτές επιφάνειες;

Τα σταγονίδια νερού φαίνεται να χορεύουν γύρω από την επιφάνεια ενός ζεστού τηγανιού λόγω του «The Leidenfrost Effect». Αυτό το αποτέλεσμα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μαξιλαριού ατμού μεταξύ του υγρού και της επιφάνειας, το οποίο κρατά το σταγονίδιο παράξενα ψηλά.

Όταν μαγειρεύετε κάτι, πώς ξέρετε αν το τηγάνι είναι αρκετά ζεστό για να ξεκινήσετε; Μια αλάνθαστη μέθοδος για να το ελέγξετε αυτό είναι να ψεκάζετε μερικές σταγόνες νερού στο τηγάνι. Εάν τα σταγονίδια πέφτουν αμέσως σε υδρατμούς, σημαίνει ότι το τηγάνι είναι ζεστό. αλλά όχι αρκετά ζεστό. Αντίθετα, εάν οι σταγόνες νερού επιπλέουν και ζουμάρουν γύρω από το τηγάνι για λίγο πριν εξατμιστούν, σημαίνει ότι το τηγάνι σας είναι πολύ ζεστό και έτοιμο για κάποιους σκληροπυρηνικούς γαστρονομικούς πειραματισμούς.

Αυτό το απλό τέχνασμα είναι στην πράξη στα νοικοκυριά μας εδώ και πολύ καιρό, αλλά κάτι σχετικά με αυτό δεν φαίνεται σωστό. Γνωρίζουμε ότι το νερό εξατμίζεται περίπου στους 100oC, οπότε λογικά, σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η εξάτμιση θα γινόταν ακόμα πιο γρήγορα, σωστά; Εάν αυτό είναι αλήθεια, γιατί το υγρό νερό σκουπίζεται σε επιφάνειες που είναι τόσο πιο ζεστές από το σημείο βρασμού του;

Τι συμβαίνει με το νερό σε μια ζεστή επιφάνεια;

Το σημείο βρασμού του νερού είναι γύρω στους 100oC στο επίπεδο της θάλασσας, αλλά γιατί ακριβώς το νερό βράζει στη συγκεκριμένη θερμοκρασία; Η θερμοκρασία, με απλά λόγια, είναι ένα μέτρο της κινητικής ενέργειας των μετρούμενων σωματιδίων. Αυτό σημαίνει ότι σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τα σωματίδια έχουν υψηλότερη κινητική ενέργεια. Κατά συνέπεια, κινούνται πιο δυναμικά, αποκόπτουν τους δεσμούς τους πιο εύκολα και σταδιακά επεκτείνονται στην κατάσταση ατμού τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το νερό εξατμίζεται όταν έρχεται σε επαφή με ένα σώμα γύρω από το σημείο βρασμού του.

Εάν τοποθετήσετε μια σταγόνα υγρού νερού σε μια επιφάνεια της οποίας η θερμοκρασία είναι λίγο χαμηλότερη από το σημείο βρασμού της, η σταγόνα θα ισοπεδωθεί και σιγά σιγά θα θερμανθεί. Ωστόσο, εάν η επιφάνεια είναι ακριβώς γύρω από το σημείο βρασμού, παρατηρούμε ότι η σταγόνα εξατμίζεται σχεδόν αμέσως, μαζί με έναν ήχο συριγμού.

Νερό που βράζει σε καυτή επιφάνεια (Πιστωτική φωτογραφία :chaoss/Shutterstock)

Τώρα, τι συμβαίνει όταν η επιφάνεια είναιτρόπος πιο ζεστό από το σημείο βρασμού του νερού; Ατμίζεται αμέσως; Λοιπόν, ναι και όχι.

Σε μια θερμοκρασία που είναι σημαντικά υψηλότερη από το σημείο βρασμού του υγρού, συμβαίνει κάτι ενδιαφέρον.

Δεδομένου ότι η επιφάνεια είναι πραγματικά ζεστή, τη στιγμή που η βάση της σταγόνας νερού αγγίζει την καυτή επιφάνεια, εξατμίζεται. Αυτή η στιγμιαία εξάτμιση δημιουργεί ένα μαξιλάρι ατμού μεταξύ του υγρού νερού και της θερμαινόμενης επιφάνειας. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται "Film Boiling" και είναι η αιτία πίσω από το «Dancing Water Effect», πιο επίσημα γνωστό ως The Leidenfrost Effect .

Το φαινόμενο Leidenfrost

Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν ένα υγρό έρχεται σε επαφή με μια επιφάνεια που βρίσκεται σε θερμοκρασία πολύ υψηλότερη από το σημείο βρασμού του υγρού.

Μια σταγόνα νερού σε μια εξαιρετικά καυτή επιφάνεια δείχνει το φαινόμενο Leidenfrost. (Φωτογραφία:Cryonic07/Wikimedia commons)

Το φαινόμενο Leidenfrost περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Γερμανό θεολόγο Johann Gottlob Leidenfrost τη δεκαετία του 1750 σε ένα χειρόγραφο που ονομάζεται A Tract About Some Qualities of Common Water. Διεξήγαγε πειράματα τοποθετώντας σταγονίδια νερού σε ένα καυτό σιδερένιο κουτάλι όταν παρατήρησε κάτι συναρπαστικό. αντί να βράσουν αμέσως, οι σταγόνες έμοιαζαν να επιμένουν στο κουτάλι. Στην πραγματικότητα, φαινόταν σαν τα σταγονίδια να απορροφούσαν θερμότητα από την καυτή επιφάνεια.

Τι προκαλεί το φαινόμενο Leidenfrost;

Το μαξιλάρι ατμού που δημιουργείται κατά τη διάρκεια του βρασμού του φιλμ είναι αυτό που ευθύνεται για το φαινόμενο Leidenfrost.

Πρώτοντο σχηματιζόμενο αέριο φράγμα λειτουργεί ως θερμομονωτικό . Η θερμική αγωγιμότητα των υδρατμών είναι σχεδόν 20 φορές μικρότερη από αυτή του υγρού νερού. Ως εκ τούτου, το μαξιλάρι ατμού εμποδίζει την περαιτέρω μετάδοση θερμότητας από την επιφάνεια στο υγρό στρώμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η σταγόνα νερού παραμένει ως υγρό ακόμη και σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες, αλλά τελικά, τα κατώτερα στρώματα εξατμίζονται και η σταγόνα εξαφανίζεται σταδιακά.

The Leidenfrost Effect (Φωτογραφία :Vystrix Nexoth/Wikimedia commons)

Το μαξιλάρι ατμού που σχηματίζεται έχει πάχος περίπου 0,2 mm στο κέντρο και 0,1 mm στις άκρες. Ακόμα κι αν είναι πραγματικά λεπτό, αυτό το στρώμα ασκεί πίεση προς τα πάνω που κρατά το υγρό να πέφτει ψηλά . Όταν το βλέπουμε, μοιάζει σαν η σταγόνα νερού να αιωρείται μαγικά πάνω από μια καυτή επιφάνεια.

Επιπλέον, το στρώμα ατμού είναι επίσης ευαίσθητο σε διαταραχές. Δεδομένου ότι η σταγόνα νερού αιωρείται αβίαστα πάνω από ένα μαξιλάρι αερίου, η τριβή μειώνεται δραστικά . Έτσι, μια μικρή κορυφογραμμή ή μια μικρή κλίση μπορεί να στείλει το σταγονίδιο να μεγεθύνει την επιφάνεια. Τώρα μπορείτε να δείτε γιατί οι αιωρούμενες σταγόνες φαίνεται να σκιρτούν τυχαία γύρω από την επιφάνεια.

Η θερμοκρασία στην οποία εμφανίζεται το φαινόμενο Leidenfrost για ένα υγρό ονομάζεται σημείο Leidenfrost . Αυτό το σημείο μπορεί να διαφέρει από ρευστό σε ρευστό ανάλογα με τις ιδιότητες του ρευστού και τη φύση της επιφάνειας. Στην περίπτωση του υγρού νερού, το φαινόμενο Leidenfrost μπορεί να συμβεί οπουδήποτε από περίπου 170oC έως 220oC.

Αλλα υγρά εμφανίζουν αυτό το αποτέλεσμα;

Το φαινόμενο Leidenfrost μπορεί να συμβεί με οποιοδήποτε υγρό που χύνεται πάνω σε μια επιφάνεια της οποίας η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από το σημείο βρασμού της. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν μερικά ενδιαφέροντα επιστημονικά πειράματα που χρησιμοποιούν αυτό το εκπληκτικό αποτέλεσμα.

Το πείραμα του λιωμένου μολύβδου

Έχετε δει ποτέ ανθρώπους να βυθίζουν τα χέρια τους σε λιωμένο μόλυβδο και μετά να τα βγάζουν χωρίς να πάθει ούτε ένα έγκαυμα; Το μυστικό πίσω από αυτό είναι το φαινόμενο Leidenfrost.

Η θερμοκρασία του λιωμένου μολύβδου μπορεί να κυμαίνεται από 300-400oC, δηλαδή πολύ πάνω από το σημείο βρασμού του νερού. Πριν βουτήξουν τα χέρια τους στο μόλυβδο, οι άνθρωποι πρώτα βρέχουν τα χέρια τους βουτώντας τα σε υγρό νερό. Επιπλέον, όταν αυτό το χέρι βυθίζεται στο λιωμένο μόλυβδο, το νερό που υπάρχει στο χέρι σχηματίζει ένα στρώμα ατμού που λειτουργεί ως μονωτικό γάντι πάνω από το χέρι, εμποδίζοντάς το να καεί. Ωστόσο, αυτό το πείραμα μπορεί να γίνει εξαιρετικά επικίνδυνο εάν το χέρι μείνει στο λιωμένο μόλυβδο για πολλή ώρα.

Υγρό άζωτο

Το υγρό άζωτο είναι ένα άλλο υγρό που δείχνει εύκολα το φαινόμενο Leidenfrost. Όταν πέσει πάνω από μια επιφάνεια σε θερμοκρασία δωματίου ή όταν χυθεί στον αέρα, το υγρό άζωτο φαίνεται να γλιστρά σε όλη την επιφάνεια σαν γυάλινες χάντρες. Αυτή είναι μια τέλεια επίδειξη του φαινομένου Leidenfrost. Το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου είναι περίπου -196oC. Η κανονική θερμοκρασία δωματίου (20oC) είναι επομένως πολύ πάνω από το σημείο βρασμού του αζώτου, επομένως το υγρό άζωτο παρουσιάζει βρασμό μεμβράνης σε κανονικές θερμοκρασίες.

Φαινόμενο Leidenfrost που εμφανίζεται από υγρό άζωτο (Photo Credit :Forance /Shutterstock)

Εφαρμογές του φαινομένου Leidenfrost

Εκτός από τις εντυπωσιακές επιδείξεις της επιστήμης, αυτό το φαινόμενο έχει σοβαρές εφαρμογές στην πραγματική ζωή; Ναί! Στην πραγματικότητα, το Leidenfrost Effect έχει εφαρμογές παντού, από εκτυπωτές inkjet έως πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιήστε εναλλάκτες θερμότητας νερού για να διατηρήσετε τις θερμοκρασίες τους υπό έλεγχο. Εδώ, το Leidenfrost Effect μπορεί να είναι κακός.

Εάν οι αντιδραστήρες ζεσταθούν πολύ, ο βρασμός του φιλμ οδηγεί στο σχηματισμό ενός στρώματος ατμού που, με τη σειρά του, εμποδίζει τη μεταφορά θερμότητας από τον αντιδραστήρα στο νερό. Αυτό καθιστά τον εναλλάκτη θερμότητας λιγότερο αποδοτικό και επηρεάζει την καλή λειτουργία του αντιδραστήρα. Επομένως, στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, το φαινόμενο Leidenfrost πρέπει πάντα να ελέγχεται για την αποφυγή πυρηνικών καταστροφών, όπως αυτό που συνέβη στη Φουκουσίμα.

Επιπλέον, μελέτες σχετικά με το φαινόμενο Leidenfrost διεξάγονται εκτενώς για να διερευνηθούν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες αιώρησης και κίνησής του, οι οποίες μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη μηχανισμών αυτοπροώθησης.

Μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε το φαινόμενο Leidenfrost για να χειριστούμε την κίνηση των υγρών. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι εάν δημιουργηθούν επαναλαμβανόμενες αιχμηρές ράχες στην καυτή επιφάνεια, τα σταγονίδια μπορούν να ανέβουν στις κορυφογραμμές ακριβώς όπως κάποιος ανεβαίνει μια σκάλα.

Επίσης, ειδικοί λαβύρινθοι που δημιουργούνται χρησιμοποιώντας αυλακωτές επιφάνειες και υδρόφοβες επιστρώσεις χρησιμοποιούνται για την πλοήγηση σταγονιδίων νερού στα επιθυμητά μονοπάτια. Αυτό το είδος ελεγχόμενης κίνησης ρευστού έχει μερικές ενδιαφέρουσες εφαρμογές στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και στη δυναμική των ρευστών. Έτσι, το μελλοντικό πεδίο εφαρμογής του φαινομένου Leidenfrost είναι απεριόριστο.

Το φαινόμενο Leidenfrost είναι ένα παράδειγμα της περίεργης φύσης της επιστήμης και της θερμοδυναμικής. Τώρα που καταλαβαίνετε την επιστήμη πίσω από αυτό το καταπληκτικό φαινόμενο, ξετυλίξατε επίσημα τη δύναμη να κάνετε σταγονίδια νερού να αιωρούνται και να χορεύουν κατόπιν εντολής!