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莱顿弗罗斯特效应

来源:知乎 Dark 浏览 585 次 发布时间:2022-06-15

莱顿弗罗斯特效应莱顿弗罗斯特现象(Leidenfrost Phenomenon)是指液体不会润湿炙热的表面,而仅仅在其上形成一个蒸气层的现象,由科学家莱顿弗罗斯特在1756年发现。

现象


把水滴落在滚烫的铁板上,假如铁板的温度仅高于水的沸点(100°C),水会发出嘶嘶声并迅速沸腾。但当铁板到达莱顿弗罗斯特点(Leidenfrost point)时,水便会产生莱顿弗罗斯特现象。水珠会在铁板四处滚动,并缓慢地逐渐蒸发,反而令水珠可以存在更久。


在莱顿弗罗斯特现象下,水珠中跟铁板接触的部分会迅速沸腾形成水蒸气,与此同时水珠尚保持液体的状态,由于水蒸气的传热比液体水慢得多,蒸气层阻隔水直接接触滚烫铁板并大大降低水滴沸腾的速度。


水的莱顿弗罗斯特点会随着水中含有的杂质、滚烫物件的材质、水的温度等而改变,粗略量度下水在平底锅的莱顿弗罗斯特点为约193°C。

厨师在预热锅子时,只要落下几滴水看会否形成水珠,便可得知锅子是否够热。在传统的过火仪式,参加者会先沾湿双脚,由于莱顿弗罗斯特现象令水不会快速升温,使得热不容易传到人们的脚,即使人们走在火堆之上,只要不长时间接触炭火,也不易被烧得火红的炭火烫伤。另外,依照莱顿弗罗斯特现象的原理,液态氮会在手上迅速沸腾并形成隔热层,防止手冻伤,因此便可徒手触摸液态氮。


现代航天发射使用的液体火箭发动机,可以使用极低温的液体燃料或液体氧化剂在发动机燃烧室与喷嘴的内壁渗出形成一层气膜,隔绝炽热的燃气与室壁的传热,这被称为“气膜冷却”,可以使液体火箭发动机在极高温燃气下长时间工作1.5-5分钟并可以多次点火、重复使用。


理论


莱顿弗罗斯特标示出了进行稳定之膜态沸腾(film boiling,参见boiling)所需之最低温度,指的是在沸腾曲线上热流(heat flux)达最低之一点,同时,液体与热烫表面之接触面完全为蒸气层(vapor blanket)所覆盖,而此时从热烫表面向液体所进行之热传导是透过此蒸气层以传导(conduction)及辐射(radiation)的方式完成。


1756年,莱顿弗罗斯特观察到,当热烫表面上的小水滴四处跳动时,水滴的蒸发速度缓慢。随着表面温度再度提高,热辐射的效应会变得比热传导更为显著,因此这时再提高温度,热流会上升。一水平表面之热流最低点可由Zuber's equation推导而来

其数值是由饱和温度所决定。其中C为Zuber常数,于适当的压力之下大部分的液体C值约为0.09。