什么是莱顿弗罗斯特效应?莱顿弗罗斯特效应有什么用?

什么是莱顿弗罗斯特效应?莱顿弗罗斯特效应有什么用?

什么是莱顿弗罗斯特效应?莱顿弗罗斯特效应有什么用?

文章插图
鸡蛋放进锅里翻炒不粘锅,快速把手放进液氮后抽离却不会冻伤,液体火箭发动机在极高温燃气中长时间工作不烧坏,这三个看似毫无关联的事情,背后却蕴藏了相同的科学原理 。这就是莱顿弗罗斯特效应,下面跟我来揭开它的神秘面纱 。
一、什么是莱顿弗罗斯特效应?1756年,德国物理学家发表了一篇论文,描述了水滴在高温表面“跳舞”的奇怪景象 。
一个烧得通红的铁锅,此时把一滴水落进去,会发生什么现象?一般根据常识,我们会立刻想象到水滴瞬间汽化的场面,并且温度越高,汽化速度也越快 。但是,科学家跟一般人的区别在于,他们观察事物更仔细,更细心 。这不,在莱顿弗罗斯特的观察下,他发现这跟人们想象的不一样 。当第一滴小水滴落入高温表面后,整个汽化过程竟然长达30秒!接着他又落入了第二滴水,汽化时间却只有10秒,当他落入第三滴水时,汽化过程缩减到了1~2秒,接着滴入更多水,也都是在1~2秒左右汽化 。
这就是莱顿弗罗斯特效应 。莱顿弗罗斯特曾尝试解释这个效应,可惜的是他没说对 。二、怎样正确解释莱顿弗罗斯特效应?莱顿弗罗斯特认为:如果温度升高,水滴汽化的时间将更长,这是因为热量使得水表面张力变大,但实际情况并非如此 。
目前莱顿弗罗斯特效应的正确解释是:当水滴落到高温金属表面后,其内部和表面都会发生汽化,在金属和水滴表面之间,会形成一层约0.1毫米厚的水蒸气膜,正是它起着关键作用 。水蒸气膜有两个作用,第一个作用是让水滴悬浮,第二个作用是隔绝部分热量,减少水滴汽化速度,因为水一旦变成气态,传热性就会降低,这阻止了水滴从金属表面吸收更多热量 。水滴要产生莱顿弗罗斯特效应,需要加热到210到240摄氏度左右,这也被称为莱顿弗罗斯特温度,它并不固定,具体跟当地海拔有关,也就是海拔越高,气压越低,水的沸点越低,莱顿弗罗斯特温度越低 。
如果金属表面达不到这个温度,形成的水蒸气膜就会太薄,“托不住”水滴,它会迅速汽化 。这也是第2、3滴水的汽化速度快的原因(前面的水滴起到了冷却作用) 。三、我们怎样利用莱顿弗罗斯特效应?回到开头,鸡蛋之所以放进锅里翻炒不粘锅,鸡蛋作为液体,跟炙热的锅面接触时,也会产生莱顿弗罗斯特效应,鸡蛋的莱顿弗罗斯特温度大致在350摄氏度以上 。
而快速把手放进液氮后抽离却不会冻伤,是因为液氮温度零下196摄氏度,而人体温度30多度,所以接触到人体的液氮会迅速沸腾,形成类似的蒸汽膜,从而保护人手,但是这个过程要快,不然持续的冷却会伤害手(请勿模仿) 。而现代液体火箭发动机则用极低温液体燃料,在发动机燃烧室和喷嘴内壁形成一层气膜,以此隔绝燃气和内壁传热,这就是“气膜冷却”,可让发动机在极高温环境下长时间工作 。虽然这三个现象看似不同,但背后的原理相同,都利用了莱顿弗罗斯特效应 。从这个过程中,我们可以发现科学就是从特例发现一般规律,然后再进行应用 。
【什么是莱顿弗罗斯特效应?莱顿弗罗斯特效应有什么用?】这也是科学的魅力 。
“莱顿弗罗斯特现象”究竟有什么神奇的原理值得人们惊讶?
什么是莱顿弗罗斯特效应?莱顿弗罗斯特效应有什么用?

文章插图
液体不会导致炙热的表面发生湿润 。莱顿弗罗斯特现象:液体不会导致炙热的表面发生湿润的现象,只形成蒸气层,由莱顿弗罗斯特于1756年发现这种神奇的现象 。
1756年,名叫莱顿弗罗斯特的人在烧通红的铁勺上滴上水珠,水珠继而发生持续30秒左右的时间,这种效应水滴悬浮的原因在于,接触温度高的铁勺后,水滴底部形成水蒸气,让水珠与铁勺分离,形成一道分界线,水滴就悬浮起来了,悬浮的水滴无法吸收较多的热量,减慢汽化应有的速度,因此持续30秒,这就是著名的莱顿弗罗斯特现象 。
这种效应说明含水量丰富的液体遇到温度高时化作气态防护层 。湿手指掐灭蜡烛,正是依靠蒸汽层的保护作用 。存在充分的条件,任何人都可以做到 。水滴落在温度高的铁板上,我们设想铁板的温度仅高100°C,水迅速沸腾 。
达莱顿弗罗斯特点时,水产生莱顿现象 。水珠在铁板上产生无规则的滚动,并逐渐蒸发,水珠存在的时间会更长 。在莱顿现象下,水珠跟铁板接触的会形成水蒸气,水珠保持液体的形状,水蒸气传热速度比水慢得多,蒸气层降低水沸腾的速度 。