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【传热学】“热锅上的水滴”——Leidenfrost现象

莱顿弗罗斯特现象(Leidenfrost Phenomenon)是指液体不会润湿炙热的表面,而仅仅在其上形成一个蒸气层的现象,由科学家莱顿弗罗斯特在1756年发现。...

 

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现象:
把水滴落在滚烫的铁板上,假如铁板的温度仅高于水的沸点(100°C),水会发出嘶嘶声并迅速沸腾。但当铁板到达莱顿弗罗斯特点(Leidenfrost point)时,水便会产生莱顿弗罗斯特现象。水珠会在铁板四处滚动,并缓慢地逐渐蒸发,反而令水珠可以存在更久。
在莱顿弗罗斯特现象下,水珠中跟铁板接触的部分会迅速沸腾形成水蒸气,与此同时水珠尚保持液体的状态,由于水蒸气的传热比液体水慢得多,蒸气层阻隔水直接接触滚烫铁板并大大降低水滴沸腾的速度。
水的莱顿弗罗斯特点会随着水中含有的杂质、滚烫物件的材质、水的温度等而改变,粗略量度下水在平底锅的莱顿弗罗斯特点为约193°C。
厨师在预热锅子时,只要落下几滴水看会否形成水珠,便可得知锅子是否够热。在传统的过火仪式,参加者会先沾湿双脚,由于莱顿弗罗斯特现象令水不会快速升温,使得热不容易传到人们的脚,即使人们走在火堆之上,只要不长时间接触炭火,也不易被烧得火红的炭火烫伤。另外,依照莱顿弗罗斯特现象的原理,液态氮会在手上迅速沸腾并形成隔热层,防止手冻伤,因此便可徒手触摸液态氮。《流言终结者》(MythBusters)亦曾在节目中利用莱顿弗罗斯特现象,尝试把手沾湿后放进烧熔的铅里。
理论:
莱顿弗罗斯特点标示出了进行稳定之膜态沸腾(film boiling,参见boiling)所需之最低温度,指的是在沸腾曲线上热流(heat flux)达最低之一点,同时,液体与热烫表面之接触面完全为蒸气层(vapor blanket)所覆盖,而此时从热烫表面向液体所进行之热传导是透过此蒸气层以传导(conduction)及辐射(radiation)的方式完成。
1756年,莱顿弗罗斯特观察到,当热烫表面上的小水滴四处跳动时,水滴的蒸发速度缓慢。随着表面温度再度提高,热辐射的效应会变得比热传导更为显著,因此这时再提高温度,热流会上升。一水平表面之热流最低点可由Zubers equation推导而来
其数值是由饱和温度所决定。其中C为Zuber常数,于适当的压力之下大部分的液体C值约为0.09。

申明

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