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萊頓弗羅斯特效應

來源:知乎 Dark 瀏覽 50 次 發布時間:2022-06-15

萊頓弗羅斯特效應萊頓弗羅斯特現象(Leidenfrost Phenomenon)是指液體不會潤濕炙熱的表麵,而僅僅在其上形成一個蒸氣層的現象,由科學家萊頓弗羅斯特在1756年發現。

現象


把水滴落在滾燙的鐵板上,假如鐵板的溫度僅高於水的沸點(100°C),水會發出嘶嘶聲並迅速沸騰。但當鐵板到達萊頓弗羅斯特點(Leidenfrost point)時,水便會產生萊頓弗羅斯特現象。水珠會在鐵板四處滾動,並緩慢地逐漸蒸發,反而令水珠可以存在更久。


在萊頓弗羅斯特現象下,水珠中跟鐵板接觸的部分會迅速沸騰形成水蒸氣,與此同時水珠尚保持液體的狀態,由於水蒸氣的傳熱比液體水慢得多,蒸氣層阻隔水直接接觸滾燙鐵板並大大降低水滴沸騰的速度。


水的萊頓弗羅斯特點會隨著水中含有的雜質、滾燙物件的材質、水的溫度等而改變,粗略量度下水在平底鍋的萊頓弗羅斯特點為約193°C。

廚師在預熱鍋子時,隻要落下幾滴水看會否形成水珠,便可得知鍋子是否夠熱。在傳統的過火儀式,參加者會先沾濕雙腳,由於萊頓弗羅斯特現象令水不會快速升溫,使得熱不容易傳到人們的腳,即使人們走在火堆之上,隻要不長時間接觸炭火,也不易被燒得火紅的炭火燙傷。另外,依照萊頓弗羅斯特現象的原理,液態氮會在手上迅速沸騰並形成隔熱層,防止手凍傷,因此便可徒手觸摸液態氮。


現代航天發射使用的液體火箭發動機,可以使用極低溫的液體燃料或液體氧化劑在發動機燃燒室與噴嘴的內壁滲出形成一層氣膜,隔絕熾熱的燃氣與室壁的傳熱,這被稱為“氣膜冷卻”,可以使液體火箭發動機在極高溫燃氣下長時間工作1.5-5分鍾並可以多次點火、重複使用。


理論


萊頓弗羅斯特標示出了進行穩定之膜態沸騰(film boiling,參見boiling)所需之最低溫度,指的是在沸騰曲線上熱流(heat flux)達最低之一點,同時,液體與熱燙表麵之接觸麵完全為蒸氣層(vapor blanket)所覆蓋,而此時從熱燙表麵向液體所進行之熱傳導是透過此蒸氣層以傳導(conduction)及輻射(radiation)的方式完成。


1756年,萊頓弗羅斯特觀察到,當熱燙表麵上的小水滴四處跳動時,水滴的蒸發速度緩慢。隨著表麵溫度再度提高,熱輻射的效應會變得比熱傳導更為顯著,因此這時再提高溫度,熱流會上升。一水平表麵之熱流最低點可由Zuber's equation推導而來

其數值是由飽和溫度所決定。其中C為Zuber常數,於適當的壓力之下大部分的液體C值約為0.09。