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维基百科:莱顿弗罗斯特现象

2014-11-19 清北学堂

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(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。当液体放在接触一块远超其沸点的物件,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。



莱顿弗罗斯特现象下的液体

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。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。

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(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。


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