Проектно-исследовательская работа "Звезды Лейденфроста"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Кыштовская средняя общеобразовательная школа №1

Научно-практическая конференция школьников

Секция: информационные технологии, математика, физика

Исследовательский проект:

Звезды Лейденфроста

                                                        Автор: Игнатова Анастасия Сергеевна,  

                                                                      ученица 9в класса

                                                        Руководитель: Колещатова Наталья Васильевна,

                                                                                   учитель физики

с.Кыштовка, 2018г.

Содержание:

1.Введение: актуальность темы, цели и задачи проекта.

2. Теоретическая часть.

3. Практическая часть.

3. Заключение.

4. Литература.

Введение

Моя мама однажды показала, как пленочное кипение помогает определить, достаточно ли разогрелась сковородка для блинов. После того как она немного нагрела пустую сковородку, она брызнула на нее несколько капель воды. Капли с шипением испарились за несколько секунд. Их быстрое исчезновение показало ей, что сковорода, еще недостаточно горяча для теста. Нагрев сковороду сильнее, она повторила проверку, брызнув еще воды. В этот раз капли свернулись в шарики и крутились на металлической поверхности более минуты, перед тем, как исчезнуть. Теперь сковорода была достаточно горяча для блинного теста

Наверняка многим у себя на кухне приходилось видеть этот же эффект, то есть как капли жидкости, попавшие на очень горячую сковороду, испаряются не сразу, а в течение минуты и даже дольше крутятся на ее поверхности (затем капля, разумеется, испаряется).Эта аномально долгая жизнь капли именуется эффектом Лейденфроста, в честь немецкого физика, описавшего это явление в 1756 году. А сами парящие капли называют красиво – звезды Лейденфроста.

 Меня заинтересовало это явление и я решила его изучить.

Цель: Исследовать зависимость скорость испарения жидкостиот разных параметров в эффекте Лейденфроста.

Задачи:

1. Изучить теорию эффекта Лейденфроста.
2. Исследовать зависимость скорости испарения жидкости от разных параметров.
3. Разработать памятки по работе с жидкостями, попадающими на очень горячие поверхности.

Теоретическая часть.

Эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем точка кипения этой жидкости, создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого выкипания.

Явление названо в честь Иоганна Готлоба Ляйденфроста, который затронул данную проблему в «Трактате о некоторых свойствах обыкновенной воды» в 1756 году, хотя до него феномен наблюдал как минимум Бургаве в 1732 году. Лейденфрост делал опыты с железной ложкой, докрасна раскаленной в горне. Помещая в ложку каплю воды, он измерял время ее жизни с помощью качающегося маятника. Он отметил, что капля, казалось, всасывала свет и тепло ложки, оставляя на поверхности пятно более тусклое, чем остальная часть ложки. Лейденфрост неправильно понял результаты своих опытов, потому что не осознал, что долгоживущие капли на самом деле кипели.

В повседневной жизни явление проще всего наблюдать при приготовлении пищи: для оценки температуры сковороды на неё брызгают водой — если температура достигла или уже выше точки Лейденфроста, вода соберётся в капли, которые будут «скользить» по поверхности металла и испаряться дольше, чем если бы это происходило в сковороде, нагретой сильнее точки кипения воды, но ниже точки Лейденфроста.

Вначале, когда температура поверхности ниже 100 °C, вода просто растекается по ней и постепенно испаряется. По достижении 100 °C капли будут испаряться с шипением и куда быстрее. Далее, после того как температура проходит точку Лейденфроста, начинает проявляться означенный эффект: при контакте со сковородой капли собираются в маленькие шарики и перемещаются по ней — вода находится в сковороде значительно дольше, чем при более низких температурах. Явление наблюдается до тех пор, пока температура не станет настолько большой, что капли начнут испаряться слишком быстро для его проявлений.

Основная причина — при температурах выше точки Лейденфроста нижняя часть капли мгновенно испаряется при контакте с горячей поверхностью. Получающийся пар поддерживает оставшуюся часть капли над ней, предотвращая дальнейшее прямое соприкосновение между жидкой водой и горячим телом. Так как теплопроводность пара значительно ниже, теплообмен между каплей и сковородой замедляется, это позволяет капле «ездить» по сковороде на слое газа под ней.

Температуру, при которой начинает работать эффект, непросто предсказать заранее. Даже если объём жидкости остаётся постоянным, точка Лейденфроста может меняться в сложной зависимости от свойств поверхности, а также примесей в жидкости. Некоторые исследования всё же проводились на теоретической модели системы, что, однако, оказалось весьма затруднительным. Одна из довольно грубых оценок даёт значение точки Лейденфроста для воды на сковороде в 193 °C.

Явление было также описано выдающимся конструктором паровых котлов Викторианской эпохи Уильямом Фэйрбэрном, который видел в нём причину сильного уменьшения теплообмена между горячим железом и водой в паровом котле. В двух своих лекциях по конструкции котлов он цитировал работу, в которой капля, почти мгновенно испарявшаяся при температуре 168 °C, сохранялась в течение 152 секунд при 202 °C: получалось, что при более низких температурах в топке вода может испаряться даже быстрее. Вариант с повышением температуры за точку Лейденфроста также рассматривался Фэйрбэрном, что должно было бы привести его к созданию котлов, наподобие используемых в паромобилях, однако, возможности техники того времени этого не позволили.

В 2006 году было обнаружено, что на поверхности со специальным рельефом капля Лейденфроста способна совершать направленное движение. Коллектив ученых из Франции, проведя серию экспериментов, выяснил истинный механизм перемещения капли. Фактически она представляет собой «корабль на воздушной подушке», источник тяговой силы в котором — течение пара из теплоизолирующей прослойки.

Физический феномен, известный как эффект Лейденфроста, ежедневно можно наблюдать в домашних условиях и окружающем нас мире:

• при приготовлении пищи (проверить достаточно ли раскалена сковорода);
• исполнители разных трюков могут окунуть руку (смоченную водой) в раскалённый свинец (t=400-700 градусов Цельсия); могут налить в рот жидкий азот "не обжигаясь", несмотря на его крайне низкую температуру;
• ходьба по горячим углям.

Этот же эффект отвечает за подобное поведение жидкого азота, пролитого на пол при комнатной температуре.

Наиболее зрелищные его демонстрации довольно опасны: например, погружение мокрых пальцев в расплавленный свинец, опускание руки в расплавленную сталь или выплёвывание жидкого азота (пускание колечек испаряющегося азота). Последнее, более того, может привести к смерти.

Эффект Лейденфроста долгое время не вызывал большого интереса в научных кругах.

Поэтому он полностью еще не изучен, но в последнее время интерес к нему возрос. Это связано с тем, что в 2005 году голландские физики показали экспериментально и описали модель эффекта в сыпучих средах. Открылись новые возможности применения этого эффекта.

Я решила поставить несколько экспериментов по изучению эффекта Лейденфроста.

Практическая часть.

Эксперимент №1:  Зависимость скорости испарения капли воды от нагрева испаряющей поверхности.

Оборудование:стакан с питьевой водой, пипетка,металлическая сковородка, секундомер.

Условия эксперимента: капли воды примерно одинаковой массы и комнатной температуры, металлическая поверхность нагревалась до разной температуры – 150 оС и 200 оС.

Таблица результатов:

Вывод: Если температура поверхности выше точки Лейденфроста, то вода испаряется дольше. При более низкой температуре вода испаряется быстрее.

Эксперимент №2: Зависимость скорости испарения воды от массы капли.

Оборудование: стакан питьевой воды, узкая стеклянная трубка, весы с цифровым циферблатом, поверхность плитки для демонстраций,секундомер.

Условия опыта:Капли воды имели разную массу и комнатную температуру, поверхность была нагрета до одинаковой температуры, превышающей точку Лейденфроста.

Таблица результатов:

Вывод:Долго испарялась капля массой 0,1 мг. Начиная с капель массой 0,3 мг зависимость скорости испарения от массы стабильная: чем больше масса, тем дольше испаряется. Возможно, это связано с тем, что большие капли рассыпались на мелкие и их испарение происходило быстрее.

     Эксперимент№3: Зависимость скорости испарения от рода жидкости.

Оборудование: стакан с питьевой водой, стакан с молоком, секундомер

Условия опыта: капля воды и молока одинаковой массы, поверхность, нагретая до одинаковой температуры, превышающей точку Лейденфроста.  

Вывод: Время испарения капель молока чуть больше, чем у воды. Возможно, это связано стем, что молоко более жирное. Жир препятствует более быстрому испарению.

Заключение:

В результате работы над проектом я выяснила:

1. Эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем точка кипения этой жидкости, создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого испарения.
2. Я выяснила, что капли воды действительно испаряются дольше при температуре, превышающей точку Лейденфроста, капли разных жидкостей испаряются за разное время, крупные капли, падая даже с небольшой высоты, рассыпаются на мелкие и испаряются быстрее, чем более мелкие.
3. Исходя из результатов опытов, я разработала памятку (Приложение №1) и особенности техники безопасности при работе с электронагревательными поверхностями (Приложение №2).
4. Некоторые выводы из моих экспериментов неоднозначны, требуют более детального исследования, с применением более сложного оборудования и более глубоких знаний по физике (физика левитации, физика сыпучих веществ).

Практическое значение:

• В будущем эффект Лейденфроста может быть использован:

1.  для снижения сопротивления воды у подводных лодок и кораблей. Он может использоваться в морских грузоперевозках, способствуя значительному сокращению расхода топлива — а значит, удешевлению процесса и снижению вредных выбросов;
2. капельное охлаждение в слаботочной электронике (микро- и

наноэлектронике) и энергетике;

3. управление процессами тепломассообмена в химической технологии,энергетике, авиационно-космических технологиях;
4.  интенсификация тепломассообмена в системах хранения и транспортировки

энергии (суперконденсаторы, топливные элементы, литий-ионные

аккумуляторы);

5. капельное орошение в условиях интенсивных потоков энергии и.т.п.
6. Критические и аварийные режимы работы энергетического оборудования(взрывное вскипание и т.д.);
7. корпускулярные мишени в энергетике высоких плотностей энергии;
8.  капельная эрозия нагретой поверхности;
9.  охлаждение изделий в металлургической промышленности в новых

режимах;

10. аварийные режимы в зоне плавления ТВЭЛов.

• Зная теорию эффекта Лейденфроста, любой человек может попробовать себя в роли исполнителя опасных трюков.
• Теоретическая подготовка и анализ полученных результатов сыграли  большую роль в повышении моей образовательной подготовки.

Литература.

1. . А.С. Дмитриев, А.С. Романов. Особенности тепломассообмена при

взаимодействии капель рабочих жидкостей с мезоскопическими и

наномасштабными поверхностями энергетического оборудования.

Вестник МЭИ. № 2, с. 1-14. 2013.

2. А.С. Дмитриев, А.С. Романов. Об инфракрасной микроскопии высокого

разрешения для изучения переноса тепла в нанопокрытиях и нанокомпозитах.

XXII Международная научно-техническая конференция, школа молодых

специалистов и выставка по фотоэлектронике и приборам ночного видения 22-

25 мая 2012 Москва, Россия.

3. А.С. Дмитриев, А.С. Романов. Явление подавления эффекта

Лейденфроста на подложках с покрытием из микросфер. 19-я Межд. научн.-

техн. конф. студентов и аспирантов. Радиотехника, электроника и энергетика.

М. Изд. Дом МЭИ. 2013. с.65.

4. А.С. Дмитриев, А.С. Романов. Теплофизические проблемы

наноэнергетики и наноэлектроники. Эффект Лейденфроста. 10 Международная

конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической

гидрогазодинамики», 17-23 сентября 2012, Алушта.

5. А.С. Дмитриев, А.С. Романов. Особенности тепломассообмена при

взаимодействии капель рабочих жидкостей с мезоскопическими и

наномасштабными поверхностями энергетического оборудования. ОМИП-

2013. М. МЭИ. С. 67-69. 2013.

                                                                                                                Приложение №1.

Памятка при работе с горячей поверхностью (бытового характера)

1. Следить за температурой поверхности плиты, не допускать ее перегрева, если плита не имеет температурных ограничителей.
2. Не допускать попадания на раскаленную поверхность жидкостей.
3. При попадании на раскаленную поверхность даже не большого количества воды, отстранится и не мешать ее испарению.
4. Класть продукты на сковороду осторожно, предупреждая возможности брызг воды и их испарения
5. Переворачивать продукты на сковородке от себя, чтобы испаряющийся конденсат воды не вызвал ожег.
6. Жидкости, содержащие даже не значительное количество жира, испаряются дольше.

                                                                                                           Приложение № 2

Техника безопасности с электронагревательными приборами.

1.        Электронагревательные приборы следует включать только в сеть указанного в их паспорте напряжения, тщательно следя при этом за исправностью соединительных приборов и плотностью контактов.

2.        Запрещается переносить электронагревательные приборы во включенном состоянии.

3.        Перед эксплуатацией нагревательных приборов нужно убрать с рабочего места легковоспламеняющиеся материалы и горючие жидкости.

4.        Не оставлять  без присмотра нагревательные приборы.

5.        При наблюдение эксперимента между раскалённой поверхностью и глазами  наблюдателя расстояние должно быть не менее 30 см.