「ライデンフロスト効果」により、熱した鍋の表面で水滴が踊るように見えます。この効果により、液体と表面の間に蒸気クッションが形成され、液滴が不気味なほど上空に保たれます。
何かを調理しているとき、調理鍋が十分に熱くなっているかどうかをどのように確認しますか?これを確認する簡単な方法の 1 つは、鍋に水滴をまき散らすことです。水滴がすぐに水蒸気に変わる場合は、鍋が熱くなっていることを意味します。しかし、十分に熱くありません。代わりに、蒸発する前に水滴が浮かんで鍋の周りをしばらくズームする場合、それは鍋が非常に熱く、本格的な料理の実験の準備ができていることを意味します.
この単純なトリックは、私たちの家庭で非常に長い間実践されてきましたが、何かが正しくないようです.水は約 100℃ で蒸発することが知られているので、論理的には、より高い温度では蒸発がさらに速くなりますよね?それが本当なら、液体の水が沸点よりもはるかに高温の表面を駆け巡るのはなぜでしょうか?
熱い表面の水はどうなりますか?
水の沸点は海面で約 100℃ですが、なぜこの特定の温度で水が沸騰するのでしょうか?温度は、簡単に言えば、測定された粒子の運動エネルギーの尺度です。これは、温度が高いほど、粒子の運動エネルギーが高くなることを意味します。その結果、それらはより活発に動き回り、結合をより容易に切断し、徐々に膨張して蒸気状態になります。これが、沸点付近で物体と接触すると水が蒸発する理由です。
温度が沸点より少し低い表面に液体の水を一滴置くと、水滴は平らになり、ゆっくりと加熱されます。ただし、表面が沸点付近にある場合、滴はシューという音とともにほぼ瞬時に蒸発することが観察されます。
熱い表面で沸騰する水 (写真提供:chaos/Shutterstock)
さて、表面が道の場合はどうなりますか 水の沸点より高い？すぐに蒸発しますか？はい、いいえ。
液体の沸点よりもかなり高い温度では、興味深いことが起こります。
表面は非常に熱いので、水滴の根元が熱い表面に触れた瞬間に蒸発します。この瞬間的な気化により、蒸気のクッションが作成されます 液体の水と加熱された表面の間。このプロセスは「膜沸騰」と呼ばれます これが、正式には ライデンフロスト効果 として知られる「ダンシング ウォーター エフェクト」の背後にある原因です。 .
ライデンフロスト効果
この効果は、液体の沸点よりもはるかに高い温度の表面に液体が接触したときに発生します。
非常に高温の表面上の水滴は、ライデンフロスト効果を示しています。 (写真提供:Cryonic07/Wikimedia commons)
ライデンフロスト効果は、1750 年代にドイツの神学者 Johann Gottlob Leidenfrost によって A Tract About Some Qualities of Common Water. という原稿で初めて説明されました。 真っ赤に熱した鉄のスプーンに水滴をつけて実験をしていると、面白いことに気がついた。すぐに沸騰するのではなく、滴がスプーンに残っているように見えました。実際、液滴が赤熱した表面から熱を吸収しているように見えました.
ライデンフロスト効果の原因
フィルムの沸騰中に生成される蒸気クッションは、ライデンフロスト効果の原因です。
まず、形成されたガスバリアが断熱材として機能します .水蒸気の熱伝導率は、液体の水の約 20 分の 1 です。したがって、蒸気クッションは、表面から液体層への熱のさらなる伝達を防ぎます。これが、水滴がこのような高温でも液体のままである理由ですが、最終的には下層がフラッシュ蒸発し、水滴が徐々に消えていきます.
ライデンフロスト効果 (写真提供:Vystrix Nexoth/Wikimedia commons)
形成された蒸気クッションの厚さは、中央で約 0.2 mm、端で約 0.1 mm です。たとえそれが非常に薄くても、この層は上向きの圧力を加えて液滴を上に保ちます .私たちが見ると、水滴が魔法のように熱い表面の上を浮いているように見えます。
さらに、蒸気層は外乱にも敏感です。水滴はガスのクッションの上を楽にホバリングするため、摩擦が大幅に軽減されます .したがって、小さな隆起部またはわずかな傾斜により、液滴が表面全体にズーミングする可能性があります。これで、浮揚している水滴が表面をランダムに飛び回っているように見える理由がわかります。
液体のライデンフロスト効果が発生する温度は、ライデンフロスト点と呼ばれます .このポイントは、流体の特性と表面の性質に応じて、流体ごとに異なります。液体の水の場合、ライデンフロスト効果は約 170oC から 220oC のどこかで発生します。
他の液体はこの効果を示しますか?
ライデンフロスト効果は、沸点よりも温度が高い表面に注がれた液体で発生する可能性があります。実際、この驚くべき効果を利用した興味深い科学実験がいくつかあります。
溶融鉛実験
溶けた鉛に手を浸し、火傷を負わずに引き抜く人を見たことがありますか?この背後にある秘密は、ライデンフロスト効果です。
溶けた鉛の温度は、水の沸点をはるかに超える 300 ～ 400℃ の範囲です。手を鉛に浸す前に、まず液体の水に浸して手を濡らします。さらに、この手を溶融鉛に浸すと、手に存在する水が蒸気の層を形成し、それが手を覆う断熱手袋として機能し、火傷を防ぎます。ただし、この実験は、溶けた鉛の中に手を長時間入れたままにしておくと、非常に危険になる可能性があります。
液体窒素
液体窒素は、ライデンフロスト効果を容易に示すもう 1 つの液体です。液体窒素は、室温で表面に落としたり、空気中にこぼしたりすると、ガラス玉のように表面全体を滑るように見えます。これは、ライデンフロスト効果の完璧なデモンストレーションです。液体窒素の沸点は約-196℃です。したがって、通常の室温 (20oC) は窒素の沸点よりもはるかに高いため、液体窒素は通常の温度で膜沸騰します。
液体窒素が示すライデンフロスト効果 (写真提供:Forance /Shutterstock)
ライデンフロスト効果の応用
クールな科学的デモンストレーション以外に、この効果は実際に深刻な応用がありますか?はい！実際、ライデンフロスト効果は、インクジェット プリンターから原子炉まであらゆる場所に適用されています。
原子炉 水熱交換器を利用して温度を一定に保ちます。ここでは、ライデンフロスト効果が悪役になる可能性があります.
原子炉が熱くなりすぎると、膜沸騰によって蒸気層が形成され、原子炉から水への熱伝達が妨げられます。これにより、熱交換器の効率が低下し、反応器の適切な機能に影響を与えます。したがって、原子炉では、福島で起こったような原子力災害を防ぐために、ライデンフロスト効果を常にチェックしておく必要があります。
さらに、ライデンフロスト効果に関する研究は、自走メカニズムの開発に不可欠な浮揚と運動の特性をさらに調査するために広く行われています。
ライデンフロスト効果を利用して流体の動きを操作することもできます。科学者たちは、高温の表面に鋭い隆起が繰り返されると、階段を上るのと同じように液滴が隆起を上っていくことができることを発見しました。
また、溝のある表面と疎水性コーティングを使用して作成された特別な迷路を使用して、水滴を目的の経路に移動させます。この種の制御された流体運動には、電流生成と流体力学にいくつかの興味深い用途があります。したがって、ライデンフロスト効果の将来の範囲は無限です。
ライデンフロスト効果は、科学と熱力学の奇妙な性質の一例です。このクールな現象の背後にある科学を理解したので、コマンドで水滴を浮遊させて踊らせる力を正式に解明しました!
