Efecto Leidenfrost DetallesyPunto de Leidenfrost

El efecto Leidenfrost es un fenómeno físico en el que un líquido, cerca de una superficie que está significativamente más caliente que el punto de ebullición del líquido , produce una capa de vapor aislante que evita que el líquido hierva rápidamente. Debido a esta 'fuerza repulsiva', una gota se cierne sobre la superficie en lugar de hacer contacto físico con la superficie caliente.

Gota de Leidenfrost

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Demostración del efecto Leidenfrost

Esto se ve más comúnmente al cocinar , cuando se rocían unas gotas de agua en una sartén caliente. Si la temperatura de la olla está en o por encima del punto de Leidenfrost, que es aproximadamente 193 ° C (379 ° F) para el agua, el agua se desliza por la olla y tarda más en evaporarse de lo que tomaría si las gotas de agua se hubieran rociado en un recipiente. sartén más fría. El efecto es responsable de la capacidad de una persona para mojar rápidamente un dedo mojado en plomo fundido ^[1] o soplar una bocanada de nitrógeno líquido sin lastimarse. ^[2] Este último es potencialmente letal, particularmente si uno ingiere accidentalmente el nitrógeno líquido . ^[3]

El efecto lleva el nombre del médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost , quien lo describió en Un tratado sobre algunas cualidades del agua común en 1751.

Detalles

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Un videoclip que demuestra el efecto Leidenfrost

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Excitación de modos normales en una gota de agua durante el efecto Leidenfrost

El efecto se puede ver cuando se rocían gotas de agua en una sartén en varios momentos a medida que se calienta. Inicialmente, como la temperatura de la olla está justo por debajo de los 100 ° C (212 ° F), el agua se aplana y se evapora lentamente, o si la temperatura de la olla está muy por debajo de los 100 ° C (212 ° F), el agua permanece líquido. Cuando la temperatura de la olla supera los 100 ° C (212 ° F), las gotas de agua silban al tocar la olla y estas gotas se evaporan rápidamente. Más tarde, cuando la temperatura supera el punto de Leidenfrost, entra en juego el efecto Leidenfrost. Al entrar en contacto con la olla, las gotas de agua se amontonan en pequeñas bolas de agua y se deslizan, durando mucho más que cuando la temperatura de la olla era más baja. Este efecto funciona hasta que una temperatura mucho más alta hace que las gotas de agua se evaporen demasiado rápido para causar este efecto.

Esto se debe a que a temperaturas superiores al punto de Leidenfrost, la parte inferior de la gota de agua se vaporiza inmediatamente al entrar en contacto con la olla caliente. El gas resultante suspende el resto de la gota de agua justo encima de él, evitando cualquier contacto directo adicional entre el agua líquida y la olla caliente. Como el vapor tiene una conductividad térmica mucho más pobre que la sartén de metal, la transferencia de calor adicional entre la sartén y la gota se ralentiza drásticamente. Esto también da como resultado que la gota pueda patinar alrededor de la bandeja sobre la capa de gas que se encuentra justo debajo.

Comportamiento del agua en una placa calefactora. El gráfico muestra la transferencia de calor (flujo) frente a la temperatura. El efecto Leidenfrost ocurre después de la ebullición de transición.

La temperatura a la que comienza a producirse el efecto Leidenfrost no es fácil de predecir. Incluso si el volumen de la gota de líquido permanece igual, el punto de Leidenfrost puede ser bastante diferente, con una dependencia complicada de las propiedades de la superficie, así como de las impurezas en el líquido. Se han realizado algunas investigaciones sobre un modelo teórico del sistema, pero es bastante complicado. ^[4]

El efecto también fue descrito por el eminente diseñador de calderas de vapor victoriano, Sir William Fairbairn , en referencia a su efecto sobre la reducción masiva de la transferencia de calor de una superficie de hierro caliente al agua, como dentro de una caldera. En un par de conferencias sobre diseño de calderas, ^[5] citó el trabajo de Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) y el profesor Bowman del King's College de Londres al estudiar esto. Una gota de agua que se vaporizó casi inmediatamente a 168 ° C (334 ° F) persistió durante 152 segundos a 202 ° C (396 ° F). Como resultado, las temperaturas más bajas en la cámara de combustión de una caldera pueden evaporar el agua más rápidamente; comparar el efecto Mpemba . Un enfoque alternativo fue aumentar la temperatura más allá del punto de Leidenfrost. Fairbairn consideró esto también, y pudo haber estado contemplando la caldera de vapor flash , pero consideró que los aspectos técnicos eran insuperables por el momento.

El punto de Leidenfrost también puede tomarse como la temperatura durante la cual la gota flotante dura más tiempo. ^[6]

Se ha demostrado que es posible estabilizar la capa de vapor de agua de Leidenfrost explotando superficies superhidrofóbicas . En este caso, una vez que se establece la capa de vapor, el enfriamiento nunca colapsa la capa y no se produce ebullición nucleada; en cambio, la capa se relaja lentamente hasta que la superficie se enfría. ^[7]

El efecto Leidenfrost se ha utilizado para el desarrollo de espectrometría de masas ambiental de alta sensibilidad. Bajo la influencia de la condición de Leidenfrost, la gota que levita no libera moléculas y las moléculas se enriquecen dentro de la gota. En el último momento de la evaporación de la gota, todas las moléculas enriquecidas se liberan en un dominio de tiempo corto y, por lo tanto, aumentan la sensibilidad. ^[8]

Se ha creado un prototipo de un motor térmico basado en el efecto Leidenfrost. Tiene la ventaja de una fricción extremadamente baja. ^[9]

Punto de Leidenfrost

Una gota de agua que experimenta el efecto Leidenfrost sobre una placa de estufa caliente

El punto de Leidenfrost significa el inicio de la ebullición estable de la película. Representa el punto en la curva de ebullición donde el flujo de calor es mínimo y la superficie está completamente cubierta por una manta de vapor. La transferencia de calor de la superficie al líquido se produce por conducción y radiación a través del vapor. En 1756, Leidenfrost observó que las gotas de agua sostenidas por la película de vapor se evaporan lentamente a medida que se mueven sobre la superficie caliente. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, la radiación a través de la película de vapor se vuelve más significativa y el flujo de calor aumenta al aumentar el exceso de temperatura.

El flujo de calor mínimo para una placa horizontal grande se puede derivar de la ecuación de Zuber, ^[6]

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

donde las propiedades se evalúan a temperatura de saturación. Constante de Zuber, ${\ Displaystyle C}$ , es aproximadamente 0.09 para la mayoría de los fluidos a presiones moderadas.

Correlaciones de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor puede aproximarse usando la ecuación de Bromley, ^[6]

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

Dónde, ${\ Displaystyle {{D} _ {o}}}$ es el diámetro exterior del tubo. La constante de correlación C es 0.62 para cilindros horizontales y placas verticales y 0.67 para esferas. Las propiedades del vapor se evalúan a la temperatura de la película.

Para una película estable que hierva en una superficie horizontal, Berenson ha modificado la ecuación de Bromley para ceder, ^[10]

{\ Displaystyle h = 0.425 {{\ left [{\ frac {k_ {vf} ^ {3} {{\ rho} _ {vf}} g \ left ({{\ rho} _ {L}} - {{ \ rho} _ {v}} \ right) \ left ({{h} _ {fg}} + 0.4 {{c} _ {pv}} \ left ({{T} _ {s}} - {{T } _ {sat}} \ right) \ right)} {{{\ mu} _ {vf}} \ left ({{T} _ {s}} - {{T} _ {sat}} \ right) { \ sqrt {\ sigma / g \ left ({{\ rho} _ {L}} - {{\ rho} _ {v}} \ right)}}}} \ right]} ^ {{} ^ {1} \! \! \ diagup \! \! {} _ {4} \;}}}

Para los tubos verticales, Hsu y Westwater han correlacionado la siguiente ecuación, ^[10]

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

Donde, m es el caudal másico en ${\ Displaystyle l {{b} _ {m}} / hr}$ en el extremo superior del tubo

A temperaturas excesivas por encima de las del flujo de calor mínimo, la contribución de la radiación se vuelve apreciable y se vuelve dominante a altas temperaturas excesivas. El coeficiente total de transferencia de calor puede ser, por tanto, una combinación de los dos. Bromley ha sugerido las siguientes ecuaciones para la ebullición de la película desde la superficie exterior de los tubos horizontales.

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

Si ${\ Displaystyle {{h} _ {rad}} <{{h} _ {conv}}}$ ,

{\ Displaystyle h = {{h} _ {conv}} + {\ frac {3} {4}} {{h} _ {rad}}}

El coeficiente de radiación efectivo, ${\ displaystyle {{h} _ {rad}}}$ se puede expresar como,

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

Dónde, ${\ Displaystyle \ varepsilon}$ es la emisividad del sólido y ${\ Displaystyle \ sigma}$ es la constante de Stefan-Boltzmann.

Campo de presión en una gota de Leidenfrost

La ecuación para el campo de presión en la región de vapor entre la gota y la superficie sólida se puede resolver usando las ecuaciones estándar de momento y continuidad . En aras de la simplicidad en la resolución, se asume un perfil de temperatura lineal y un perfil de velocidad parabólico dentro de la fase de vapor . Se supone que la transferencia de calor dentro de la fase de vapor es por conducción . Con estas aproximaciones, se puede resolver la ecuación de Navier-Stokes ^[11] para obtener el campo de presión.

Efectos de la temperatura y la tensión superficial de Leidenfrost

La temperatura de Leidenfrost es propiedad de un conjunto dado de par sólido-líquido. La temperatura de la superficie sólida más allá de la cual el líquido sufre el fenómeno de Leidenfrost se denomina temperatura de Leidenfrost. El cálculo de la temperatura de Leidenfrost implica el cálculo de la temperatura mínima de ebullición de la película de un fluido. Berenson ^[12] obtuvo una relación para la temperatura mínima de ebullición de la película a partir de argumentos de flujo de calor mínimo. Si bien la ecuación para la temperatura mínima de ebullición de la película, que se puede encontrar en la referencia anterior, es bastante compleja, sus características pueden entenderse desde una perspectiva física. Un parámetro crítico a considerar es la tensión superficial . Es de esperar la relación proporcional entre la temperatura mínima de ebullición de la película y la tensión superficial, ya que los fluidos con mayor tensión superficial necesitan mayores cantidades de flujo de calor para el inicio de la ebullición nucleada . Dado que la ebullición de la película ocurre después de la ebullición nucleada, la temperatura mínima para la ebullición de la película debe tener una dependencia proporcional de la tensión superficial.

Henry desarrolló un modelo para el fenómeno de Leidenfrost que incluye humectación transitoria y evaporación de microcapas. ^[13] Dado que el fenómeno de Leidenfrost es un caso especial de ebullición de la película, la temperatura de Leidenfrost está relacionada con la temperatura mínima de ebullición de la película a través de una relación que influye en las propiedades del sólido que se utiliza. Si bien la temperatura de Leidenfrost no está directamente relacionada con la tensión superficial del fluido, depende indirectamente de ella a través de la temperatura de ebullición de la película. Para fluidos con propiedades termofísicas similares, el que tiene una tensión superficial más alta generalmente tiene una temperatura de Leidenfrost más alta.

Por ejemplo, para una interfaz agua-cobre saturada, la temperatura de Leidenfrost es de 257 ° C (495 ° F). Las temperaturas de Leidenfrost para el glicerol y los alcoholes comunes son significativamente menores debido a sus valores de tensión superficial más bajos (las diferencias de densidad y viscosidad también son factores que contribuyen).

Efecto reactivo de Leidenfrost

Efecto reactivo de Leidenfrost de la celulosa sobre la sílice, 750 ° C (1380 ° F)

En 2015 se descubrió que los materiales no volátiles también exhiben un 'efecto reactivo de Leidenfrost', mediante el cual se observó que las partículas sólidas flotan sobre superficies calientes y se deslizan erráticamente. ^[14] Se completó la caracterización detallada del efecto reactivo Leidenfrost para pequeñas partículas de celulosa (~ 0,5 mm) en superficies pulidas a alta temperatura mediante fotografía de alta velocidad. Se demostró que la celulosa se descompone en oligómeros de cadena corta que funden y humedecen las superficies lisas con el aumento de la transferencia de calor asociada con el aumento de la temperatura de la superficie. Por encima de 675 ° C (1247 ° F), se observó que la celulosa exhibía una ebullición de transición con burbujeo violento y una reducción asociada en la transferencia de calor. Se observó que el despegue de la gota de celulosa (representada a la derecha) se producía por encima de aproximadamente 750 ° C (1380 ° F) asociado con una reducción drástica en la transferencia de calor. ^[15]

También se demostró que la fotografía de alta velocidad del efecto Leidenfrost reactivo de la celulosa en superficies porosas ( alúmina macroporosa ) suprime el efecto Leidenfrost reactivo y mejora las tasas generales de transferencia de calor a la partícula desde la superficie. El nuevo fenómeno de un 'efecto reactivo de Leidenfrost (RL)' se caracterizó por una cantidad adimensional (φ _RL = τ _conv / τ _rxn ), que relaciona la constante de tiempo de transferencia de calor de partículas sólidas con la constante de tiempo de reacción de partículas, con la Efecto reactivo de Leidenfrost que se produce para 10 ⁻¹ <φ _RL <10 ⁺¹ . El efecto reactivo de Leidenfrost con celulosa se producirá en numerosas aplicaciones de alta temperatura con polímeros de carbohidratos, incluida la conversión de biomasa en biocombustibles , la preparación y cocción de alimentos y el consumo de tabaco . ^[dieciséis]

En la cultura popular

En el libro de 1876 de Julio Verne , Michael Strogoff , el protagonista se salva de ser cegado con una cuchilla caliente al evaporarse las lágrimas. ^[17]

En el final de la temporada 7 de 2009 de MythBusters , " Mini Myth Mayhem ", el equipo demostró que una persona puede mojarse la mano y sumergirla brevemente en plomo fundido sin lastimarse, utilizando el efecto Leidenfrost como base científica. ^[18]

Ver también

Calefacción
Flujo de calor crítico
Ebullición nucleada
Paradoja de la región beta

Referencias

^ Willey, David (1999). "La física detrás de cuatro demostraciones asombrosas" . Investigador escéptico . 23 (6). Archivado desde el original el 13 de octubre de 2014 . Consultado el 11 de octubre de 2014 .
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enlaces externos

Ensayo sobre el efecto y demostraciones de Jearl Walker (PDF)
Sitio con video de alta velocidad, imágenes y explicación de la ebullición de la película por Heiner Linke en la Universidad de Oregon, EE. UU.
"Los científicos hacen que el agua corra cuesta arriba" por BBC News sobre el uso del efecto Leidenfrost para enfriar chips de computadora .
"Agua cuesta arriba" - Historia de ABC Catalyst
"Leidenfrost Maze" - Estudiantes de pregrado de la Universidad de Bath Carmen Cheng y Matthew Guy
"Cuando el agua fluye cuesta arriba" - Science Friday con el profesor de la Universidad de Bath Kei Takashina
Jeffrey, Colin (10 de marzo de 2015). "El motor que funciona con dióxido de carbono congelado puede impulsar la misión a Marte" . Gizmag . Consultado el 10 de marzo de 2015 .