Efecto Leidenfrost
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 22 de mayo de 2022; la verificación requiere 1 edición .El efecto Leidenfrost (Leidenfrost) es un fenómeno en el que un líquido en contacto con una superficie sólida, mucho más caliente que el punto de ebullición de este líquido, forma una capa de vapor termoaislante entre la superficie y el líquido, ralentizando la ebullición rápida, por ejemplo, de gotas de líquido sobre esta superficie. Este fenómeno también se denomina crisis de ebullición .
En la vida cotidiana, el fenómeno se puede observar al cocinar: para evaluar la temperatura de la sartén, rocían agua sobre ella; si la temperatura ha alcanzado o ya está por encima del punto de Leidenfrost , el agua se acumulará en gotas que se "deslizarán". sobre la superficie del metal y se evaporan por más tiempo que si esto sucediera en una sartén calentada por encima del punto de ebullición del agua, pero por debajo del punto de Leidenfrost. El mismo efecto provoca un comportamiento similar de gotas de nitrógeno líquido , derramadas sobre una superficie a temperatura ambiente.
Sus demostraciones más espectaculares son bastante peligrosas: por ejemplo, sumergir los dedos mojados en plomo fundido [1] , sumergir una mano en acero fundido [2] [3] [4] o escupir nitrógeno líquido o soplar "anillos" de nitrógeno evaporado [ 5] . Tal truco, además, puede conducir a la muerte [6] .
En 2005, físicos holandeses demostraron y describieron experimentalmente el modelo del efecto en medios granulares [7] .
Historia
El fenómeno lleva el nombre de Johann Gottlob Leidenfrost , quien describió el fenómeno en un Tratado sobre ciertas propiedades del agua ordinaria en 1756 [8] . En 1756, Leidenfrost observó cómo las gotas de una fina capa de vapor se evaporaban lentamente a medida que se desplazaban por la superficie. Antes que él, este fenómeno fue descrito, al menos, por el químico holandés Hermann Boerhaave en 1732.
El fenómeno también fue descrito por el eminente diseñador victoriano de calderas de vapor William Fairbairn, quien lo vio como la causa de la severa reducción en el intercambio de calor entre el hierro caliente y el agua en una caldera de vapor. En dos conferencias sobre el diseño de calderas [9] , da una observación en la que una gota evaporada casi instantáneamente a una temperatura superficial de 168 °C no se evapora durante 152 segundos a una temperatura superficial de 202 °C , a partir de la cual se seguido que a temperaturas más bajas en el horno, el agua puede evaporarse incluso más rápido que a una temperatura más alta. Fairbairn también consideró la opción de elevar la temperatura por encima del punto de Leidenfrost, lo que podría llevarlo a la creación de calderas, similares a las que se utilizan en los coches de vapor , sin embargo, las capacidades técnicas de la época difícilmente lo permitían.
El físico soviético S. S. Kutateladze , basado en la teoría de la similitud y la dimensión , propuso una teoría hidrodinámica de las crisis de ebullición, también conocida como la "teoría del agotamiento" (eng. Teoría del agotamiento de Kutateladze ).
Descripción del efecto
En el caso del agua, el efecto se puede observar goteando en la sartén a medida que la sartén se calienta. Al principio, cuando la temperatura de la superficie está por debajo de los 100 °C , el agua simplemente se esparce sobre ella y se evapora gradualmente. Al alcanzar los 100 °C , las gotas de agua se evaporarán con un silbido y más rápido. Además, después de que la temperatura excede el punto de Leidenfrost, este efecto comienza a aparecer: al entrar en contacto con la sartén, las gotas se acumulan en pequeñas bolas y corren alrededor de ella; el agua no hierve en la sartén por mucho más tiempo que a temperaturas más bajas. El fenómeno se observa hasta que la temperatura llega a ser tan alta que las gotas comienzan a evaporarse demasiado rápido para que ocurra.
La razón principal es que a temperaturas superiores al punto de Leidenfrost, la parte inferior de la gota se evapora instantáneamente al entrar en contacto con una superficie caliente. La capa de vapor resultante suspende el resto de la gota sobre la superficie, evitando el contacto directo entre el agua líquida y el cuerpo caliente. Dado que la conductividad térmica del vapor es mucho más baja que la conductividad térmica del líquido, el intercambio de calor entre la gota y la bandeja se ralentiza, lo que permite que la gota se deslice sobre la bandeja en la capa de gas que se encuentra debajo.
La temperatura a la que comienza a aparecer el efecto es difícil de predecir de antemano. Incluso si el volumen del líquido permanece constante, el valor del punto de Leidenfrost puede variar de forma compleja según las propiedades de la superficie y las impurezas del líquido. Sin embargo, se realizaron algunos estudios sobre un modelo teórico del sistema, que, sin embargo, resultó ser muy difícil [10] . Una de las estimaciones bastante aproximadas da el valor del punto de Leidenfrost para una gota de agua en una cacerola a 193 °C.
El punto de Leidenfrost también se puede tomar como la temperatura a la que la " levitación " de la gota dura más tiempo [11] .
Punto de Leidenfrost
El punto de Leidenfrost indica el comienzo de una vaporización estable con la aparición de una capa de gas alrededor del líquido. Este es el punto en la curva de vaporización donde el flujo de calor alcanza sus valores mínimos, y toda la interfaz entre la superficie líquida y sólida está cubierta por una capa de gas. El intercambio de calor entre el líquido y la superficie calentada ocurre debido a la conducción y radiación de calor durante el proceso de evaporación. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, la radiación a través de la película se vuelve más notoria y el flujo de calor también aumenta.
El valor mínimo del flujo de calor se puede derivar de la ecuación de Zuber [11] :
![{\frac{q}{A}}_\text{min} = C h_{fg} \rho_v \left[ \frac{\sigma g (\rho_L - \rho_v)}{(\rho_L - \rho_v)^ 2} \derecho]^{\frac14},](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c5b641098c9aec1516bad1cdbd5f8f4a6e65d2d3)
donde todos los valores se toman en el punto de ebullición. La constante de Zuber, , es de aproximadamente 0,09 para la mayoría de los líquidos a presiones cercanas a la atmosférica .
Relaciones de transferencia de calor
El coeficiente de transferencia de calor se puede calcular aproximadamente a partir de la ecuación de Bromley para la ebullición de película estable [11] :
donde es el diámetro exterior del tubo.![h = C \left[ \frac{k_v^3 \rho_v g (\rho_L - \rho_v) \big( h_{fg} + 0{,}4 c_{pv} (T_s - T_\text{sat}) \ grande)}{D_o \mu_v (T_s - T_\text{sat})} \right]^{\frac14},](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/148d361eb488a575e9a9335e26e73c863ae17de6)
El valor de la constante es 0,62 para cilindros horizontales y placas verticales y 0,67 para esferas. Los parámetros de vapor se toman para la temperatura de la película.
Para una película de ebullición estable sobre una superficie horizontal, Berenson modificó la ecuación de Bromley de la siguiente manera [12] :
[ aclarar (sin comentarios proporcionados) ]![h = 0{,}425 \left[ \frac{k_{vf}^3 \rho_{vf} g (\rho_L - \rho_v) \big(h_{fg} + 0{,}4 c_{pv} ( T_s - T_\text{sat}) \big)}{\mu_{vf} (T_s - T_\text{sat}) \sqrt{\sigma/g (\rho_L - \rho_v))) \right]^{ \frac14}.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/54a7aac5ae4a469a4bcc0bc9ddf9ce44247dcfba)
Para tubos verticales, Su y Westwater propusieron la siguiente ecuación [12] :
donde es el flujo en libras por metro por hora a través del extremo superior del tubo.![h \left[ \frac{\mu_v^2}{g \rho_v (\rho_L - \rho_v) k_v^3} \right]^{\frac13} = 0{,}0020 \left[ \frac{4m}{ \pi D_v \mu_v} \right]^{0{,}6},](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f703d75587afed3ad74d5ada7120caf8da7b3076)
A temperaturas por encima de aquellas en las que se observa el flujo de calor mínimo, se hace notoria la contribución de la radiación térmica, que domina a temperaturas aún más altas. Por lo tanto, el coeficiente global de transferencia de calor se ve mejor como una combinación de los dos mencionados. Bromley propuso las siguientes ecuaciones para las superficies exteriores de los tubos horizontales:
si [ aclarar (sin comentarios proporcionados) ] ,
El coeficiente de radiación efectiva, se puede expresar como
donde es la emisividad del cuerpo, es la constante de Stefan-Boltzmann .
Notas
- ↑ CSI | La física detrás de cuatro asombrosas demostraciones (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 3 de enero de 2012. Archivado desde el original el 15 de agosto de 2009.
- ↑ Rips, Samuel Markovich. Criogenia - conservación del frío // Técnica - juventud. 1969, No. 5 (mayo) p. 2.- “A finales del siglo pasado, en las acerías, los trabajadores experimentados a veces enseñaban un truco a los recién llegados: por un momento metían la mano en el acero fundido. La vaporización intensiva durante una fracción de segundo protegió la piel de las quemaduras.
- ↑ Mosaico metalúrgico / #209 . revista "Abastecimiento y venta de metales". - “El mago francés Robert-Houdin , que vivió en el siglo XIX, fue llamado el rey de los ilusionistas. Su repertorio incluía números puramente faquires con metal fundido y al rojo vivo. Sin miedo metió la mano en el estaño fundido, se lavó con él, e incluso se enjuagó la boca con hierro fundido, se aplicó una barra de hierro, al rojo vivo, en la cara. Parte de su hazaña la realizan algunos trabajadores siderúrgicos modernos que pueden atravesar un chorro de acero fundido con sus propias manos. La película de vapor que se forma instantáneamente en la mano la protege de quemaduras graves. Probablemente, estos fueron los trucos de Robert-Houdin. Consultado: 26 de enero de 2013.
- ↑ Un fabricante de acero de Armenia habló sobre un truco con metal fundido
- ↑ http://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
- ↑ Student Gulps Into Medical Literature - WPI
- ↑ Efecto Leidenfrost descubierto en materiales a granel
- ↑ IG Leidenfrost. Tratado sobre algunas propiedades del agua ordinaria = Johann Gottlob Leidenfrost. De aquae communis nonnullis qualitatibus. — Duisburgo, 1756.
- ↑ Sir William Fairbairn . Dos conferencias: la construcción de calderas y sobre explosiones de calderas, con los medios de prevención (inglés) . — 1851.
- ↑ Bernardin y Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point", Transactions of the ASME, (Vol. 124, octubre de 2002)
- ↑ 1 2 3 Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentos de la transferencia de calor y masa, 6.ª edición.
- ↑ 1 2 James R. Welty; Charles E. Mechas; Roberto E. Wilson; Gregory L. Rorrer., "Fundamentos de transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa" 5.ª edición, John Wiley and Sons
Enlaces
- "Hirviendo. Efecto Leidenfrost / Ebullición. Efecto Leidenfrost" - revista Chemistry and Chemists