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莱顿弗罗斯特现象

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莱顿弗罗斯特现象下的液体
莱顿弗罗斯特现象下的液体
莱顿弗罗斯特现象的示例
莱顿弗罗斯特现象的示例

莱顿弗罗斯特现象,又译作李登弗斯特作用赖登福现象,在1732年为赫尔曼·布尔哈夫(Herman Boerhaave)首次发现,其后在1756年,德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特英语Johann Gottlob Leidenfrost(Johann Gottlob Leidenfrost)作出更深入的研究,并书于《论普通水的性质》(A Tract About Some Qualities of Common Water)一文之中[1]。当液体接触一块远超其沸点的物件时,液体表面会产生出一层有隔热作用的蒸气,令液体沸腾的速度大大减慢。

现实例子

把水滴落在滚烫的铁板上,假若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,反而令水珠可以存活更久。

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(由于姆潘巴现象,冷水可能比热水更易蒸发)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。[2]在传统的踏火仪式,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。[3][4]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。[5]

现代航天发射使用的液体火箭发动机,可以使用极低温的液体燃料或液体氧化剂在发动机燃烧室与喷嘴的内壁渗出形成一层气膜,隔绝炽热的燃气与室壁的传热,这被称为“气膜冷却”,可以使液体火箭发动机在极高温燃气下长时间工作1.5-5分钟并可以多次点火、重复使用。

莱顿弗罗斯特点

莱顿弗罗斯特点标示出了进行稳定之薄膜沸腾英语film boiling(film 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Zuber's 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。

参见

参考文献

外部链接

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