Leidenfrost-Effekt

Leidenfrost-Tropfen ⓘ

Demonstration des Leidenfrost-Effekts ⓘ

Der Leidenfrost-Effekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Flüssigkeit in der Nähe einer Oberfläche, die deutlich heißer ist als der Siedepunkt der Flüssigkeit, eine isolierende Dampfschicht erzeugt, die die Flüssigkeit am schnellen Sieden hindert. Aufgrund dieser abstoßenden Kraft schwebt ein Tropfen über der Oberfläche, anstatt mit ihr in Kontakt zu kommen. Der Effekt ist nach dem deutschen Arzt Johann Gottlob Leidenfrost benannt, der ihn in einem Traktat über einige Eigenschaften des gewöhnlichen Wassers beschrieb. ⓘ

Am häufigsten ist dieser Effekt beim Kochen zu beobachten, wenn Wassertropfen auf eine heiße Pfanne gestreut werden. Liegt die Temperatur der Pfanne bei oder über dem Leidenfrost-Punkt, der für Wasser bei etwa 193 °C liegt, so springt das Wasser über die Pfanne und braucht länger, um zu verdampfen, als wenn die Wassertropfen auf eine kühlere Pfanne gestreut worden wären. ⓘ

Kühlleistung von traditionell strukturierten Oberflächen und STA bei T = 1000°C ⓘ

Wassertropfen auf heißer Herdplatte schwebt auf einem Dampffilm. ⓘ

Einzelheiten

Ein Videoclip zur Demonstration des Leidenfrost-Effekts ⓘ

Anregung von Normalmoden in einem Wassertropfen während des Leidenfrost-Effekts ⓘ

Der Effekt kann beobachtet werden, wenn Wassertropfen zu verschiedenen Zeiten auf eine Pfanne gestreut werden, während diese sich erwärmt. Zu Beginn, wenn die Temperatur der Pfanne knapp unter 100 °C (212 °F) liegt, flacht das Wasser ab und verdampft langsam, oder wenn die Temperatur der Pfanne weit unter 100 °C (212 °F) liegt, bleibt das Wasser flüssig. Steigt die Temperatur der Pfanne über 100 °C (212 °F), zischen die Wassertropfen beim Berühren der Pfanne und verdampfen schnell. Wenn die Temperatur den Leidenfrost-Punkt überschreitet, tritt der Leidenfrost-Effekt auf. Beim Kontakt mit der Pfanne ballen sich die Wassertröpfchen zu kleinen Wasserkugeln zusammen und zischen umher, was viel länger anhält als bei einer niedrigeren Temperatur der Pfanne. Dieser Effekt funktioniert so lange, bis eine viel höhere Temperatur dazu führt, dass weitere Wassertropfen zu schnell verdampfen, um diesen Effekt auszulösen. ⓘ

Der Grund dafür ist, dass bei Temperaturen am oder über dem Leidenfrost-Punkt der untere Teil des Wassertropfens bei Kontakt mit der heißen Pfanne sofort verdampft. Das dabei entstehende Gas lässt den Rest des Wassertropfens knapp darüber schweben, so dass ein weiterer direkter Kontakt zwischen dem flüssigen Wasser und der heißen Pfanne verhindert wird. Da Dampf eine viel schlechtere Wärmeleitfähigkeit als die Metallpfanne hat, wird die weitere Wärmeübertragung zwischen der Pfanne und dem Tropfen drastisch verlangsamt. Dies führt auch dazu, dass der Tropfen auf der Gasschicht direkt unter ihm um die Pfanne herumrutschen kann. ⓘ

Verhalten von Wasser auf einer Heizplatte. Das Diagramm zeigt die Wärmeübertragung (Fluss) in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Leidenfrost-Effekt tritt nach dem Übergang zum Sieden auf. ⓘ

Die Temperatur, bei der der Leidenfrost-Effekt auftritt, lässt sich nur schwer vorhersagen. Selbst wenn das Volumen des Flüssigkeitstropfens gleich bleibt, kann der Leidenfrost-Punkt sehr unterschiedlich sein, mit einer komplizierten Abhängigkeit von den Eigenschaften der Oberfläche sowie von eventuellen Verunreinigungen in der Flüssigkeit. Es wurde ein theoretisches Modell des Systems erforscht, das jedoch recht kompliziert ist. ⓘ

Der Effekt wurde auch von dem bedeutenden viktorianischen Dampfkesselkonstrukteur Sir William Fairbairn beschrieben, und zwar in Bezug auf seine Wirkung auf die massive Verringerung der Wärmeübertragung von einer heißen Eisenoberfläche auf das Wasser, beispielsweise in einem Kessel. In zwei Vorlesungen über die Konstruktion von Dampfkesseln zitierte er die Arbeiten von Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) und Professor Bowman vom King's College in London, die dies untersucht hatten. Ein Wassertropfen, der bei 168 °C (334 °F) fast sofort verdampfte, hielt sich bei 202 °C (396 °F) 152 Sekunden lang. Niedrigere Temperaturen in einem Kesselfeuerraum könnten dazu führen, dass das Wasser schneller verdampft; vgl. Mpemba-Effekt. Ein anderer Ansatz bestand darin, die Temperatur über den Leidenfrostpunkt hinaus zu erhöhen. Fairbairn zog dies ebenfalls in Erwägung und dachte möglicherweise auch über den Entspannungsdampfkessel nach, hielt die technischen Aspekte jedoch für unüberwindbar. ⓘ

Der Leidenfrostpunkt kann auch als die Temperatur angesehen werden, bei der das schwebende Tröpfchen am längsten verweilt. ⓘ

Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, die Leidenfrost-Dampfschicht von Wasser durch die Nutzung superhydrophober Oberflächen zu stabilisieren. In diesem Fall kollabiert die Schicht nach der Bildung der Dampfschicht durch die Abkühlung nicht, und es kommt zu keinem Keimsieden; stattdessen entspannt sich die Schicht langsam, bis die Oberfläche abgekühlt ist. ⓘ

Tröpfchen verschiedener Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zeigen ebenfalls einen Leidenfrost-Effekt und stoßen sich gegenseitig ab. ⓘ

Der Leidenfrost-Effekt wurde für die Entwicklung der hochempfindlichen Umgebungsmassenspektrometrie genutzt. Unter dem Einfluss des Leidenfrost-Effekts gibt das schwebende Tröpfchen keine Moleküle ab, und die Moleküle werden im Inneren des Tröpfchens angereichert. Im letzten Moment der Verdampfung des Tropfens werden alle angereicherten Moleküle in kurzer Zeit freigesetzt, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird. ⓘ

Ein auf dem Leidenfrost-Effekt basierender Wärmemotor wurde als Prototyp entwickelt; er hat den Vorteil einer extrem geringen Reibung. ⓘ

Leidenfrost-Punkt

Ein Wassertropfen mit Leidenfrost-Effekt auf einer heißen Herdplatte ⓘ

Der Leidenfrost-Punkt bezeichnet den Beginn des stabilen Filmsiedens. Er ist der Punkt auf der Siedekurve, an dem der Wärmestrom am geringsten ist und die Oberfläche vollständig von einer Dampfdecke bedeckt ist. Die Wärmeübertragung von der Oberfläche auf die Flüssigkeit erfolgt durch Wärmeleitung und Strahlung durch den Dampf. Im Jahr 1756 beobachtete Leidenfrost, dass Wassertröpfchen, die vom Dampffilm getragen werden, langsam verdampfen, wenn sie sich auf der heißen Oberfläche bewegen. Mit zunehmender Oberflächentemperatur gewinnt die Strahlung durch den Dampffilm an Bedeutung, und der Wärmestrom steigt mit zunehmender Übertemperatur. ⓘ

Der minimale Wärmestrom für eine große horizontale Platte lässt sich aus der Zuberschen Gleichung ableiten, ⓘ

${{\frac {q}{A}}_{min}}=C{{h}_{fg}}{{\rho }_{v}}{{\left[{\frac {\sigma g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)}{{\left({{\rho }_{L}}+{{\rho }_{v}}\right)}^{2}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}$ ⓘ

wobei die Eigenschaften bei Sättigungstemperatur bewertet werden. Die Zuber-Konstante, $C$beträgt für die meisten Flüssigkeiten bei moderaten Drücken etwa 0,09. ⓘ

Korrelationen für die Wärmeübertragung

Der Wärmeübergangskoeffizient kann mit der Gleichung von Bromley angenähert werden, ⓘ

$h=C{{\left[{\frac {k_{v}^{3}{{\rho }_{v}}g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)\left({{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{{D}_{o}}{{\mu }_{v}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}$ ⓘ

wobei ${{D}_{o}}$ der Außendurchmesser des Rohrs ist. Die Korrelationskonstante C beträgt 0,62 für horizontale Zylinder und vertikale Platten und 0,67 für Kugeln. Die Dampfeigenschaften werden bei der Filmtemperatur bewertet. ⓘ

Für ein stabiles Filmsieden auf einer horizontalen Oberfläche hat Berenson die Gleichung von Bromley so modifiziert, dass sie sich ergibt, ⓘ

$h=0.425{{\left[{\frac {k_{vf}^{3}{{\rho }_{vf}}g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)\left({{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{{\mu }_{vf}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right){\sqrt {\sigma /g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)}}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}$ ⓘ

Für vertikale Rohre haben Hsu und Westwater die folgende Gleichung aufgestellt, ⓘ

$h{{\left[{\frac {\mu _{v}^{2}}{g{{\rho }_{v}}\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)k_{v}^{3}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}=0.0020{{\left[{\frac {4m}{\pi {{D}_{v}}{{\mu }_{v}}}}\right]}^{0.6}}$ ⓘ

Dabei ist m der Massendurchsatz in $l{{b}_{m}}/hr$ am oberen Ende des Rohrs ist. ⓘ

Bei Übertemperaturen, die über denen des minimalen Wärmestroms liegen, wird der Beitrag der Strahlung spürbar, und bei hohen Übertemperaturen wird er dominant. Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient ist somit eine Kombination aus beiden. Bromley hat die folgenden Gleichungen für das Filmsieden an der Außenfläche von horizontalen Rohren vorgeschlagen: ${{h}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}={{h}_{conv}}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}+{{h}_{rad}}{{h}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}$ ⓘ

Wenn ${{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}$, ⓘ

$h={{h}_{conv}}+{\frac {3}{4}}{{h}_{rad}}$ ⓘ

Der effektive Strahlungskoeffizient, ${{h}_{rad}}$ kann ausgedrückt werden als, ⓘ

${{h}_{rad}}={\frac {\varepsilon \sigma \left(T_{s}^{4}-T_{sat}^{4}\right)}{\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}$ ⓘ

wobei $\varepsilon$ ist der Emissionsgrad des Festkörpers und $\sigma$ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist. ⓘ

Druckfeld in einem Leidenfrost-Tropfen

Die Gleichung für das Druckfeld in der Dampfregion zwischen dem Tropfen und der Festkörperoberfläche kann mit Hilfe der Standardimpuls- und Kontinuitätsgleichungen gelöst werden. Der Einfachheit halber wird ein lineares Temperaturprofil und ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil innerhalb der Dampfphase angenommen. Der Wärmeübergang innerhalb der Dampfphase erfolgt durch Wärmeleitung. Mit diesen Näherungen kann die Navier-Stokes-Gleichung gelöst werden, um das Druckfeld zu erhalten. ⓘ

Leidenfrost-Temperatur und Oberflächenspannungseffekte

Die Leidenfrost-Temperatur ist die Eigenschaft eines bestimmten Fest-Flüssig-Paares. Die Temperatur der Festkörperoberfläche, bei der die Flüssigkeit das Leidenfrost-Phänomen zeigt, wird als Leidenfrost-Temperatur bezeichnet. Die Berechnung der Leidenfrost-Temperatur beinhaltet die Berechnung der minimalen Filmsiedetemperatur einer Flüssigkeit. Berenson ermittelte eine Beziehung für die minimale Filmsiedetemperatur aus Argumenten des minimalen Wärmestroms. Die Gleichung für die minimale Filmsiedetemperatur, die in der obigen Referenz zu finden ist, ist zwar recht komplex, doch lassen sich ihre Merkmale aus physikalischer Sicht verstehen. Ein kritischer Parameter, der berücksichtigt werden muss, ist die Oberflächenspannung. Die proportionale Beziehung zwischen der minimalen Filmsiedetemperatur und der Oberflächenspannung ist zu erwarten, da Flüssigkeiten mit höherer Oberflächenspannung höhere Wärmestrommengen für den Beginn des Keimsiedens benötigen. Da das Filmsieden nach dem Keimsieden auftritt, sollte die Mindesttemperatur für das Filmsieden proportional zur Oberflächenspannung abhängen. ⓘ

Henry entwickelte ein Modell für das Leidenfrost-Phänomen, das die vorübergehende Benetzung und die Verdampfung von Mikroschichten umfasst. Da das Leidenfrost-Phänomen ein Spezialfall des Filmsiedens ist, wird die Leidenfrost-Temperatur mit der minimalen Filmsiedetemperatur über eine Beziehung verknüpft, die die Eigenschaften des verwendeten Feststoffs berücksichtigt. Die Leidenfrost-Temperatur steht zwar nicht in direktem Zusammenhang mit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, ist aber indirekt über die Filmsiedetemperatur von ihr abhängig. Bei Flüssigkeiten mit ähnlichen thermophysikalischen Eigenschaften hat die Flüssigkeit mit der höheren Oberflächenspannung in der Regel eine höhere Leidenfrost-Temperatur. ⓘ

Für eine gesättigte Wasser-Kupfer-Grenzfläche beispielsweise beträgt die Leidenfrost-Temperatur 257 °C (495 °F). Die Leidenfrost-Temperaturen für Glycerin und gängige Alkohole sind aufgrund ihrer geringeren Oberflächenspannung deutlich niedriger (Dichte- und Viskositätsunterschiede tragen ebenfalls dazu bei). ⓘ

Reaktiver Leidenfrost-Effekt

Reaktiver Leidenfrost-Effekt von Cellulose auf Kieselsäure, 750 °C (1.380 °F) ⓘ

Im Jahr 2015 wurde entdeckt, dass nichtflüchtige Materialien ebenfalls einen "reaktiven Leidenfrost-Effekt" aufweisen, bei dem feste Partikel über heißen Oberflächen schweben und unregelmäßig umherschwirren. Eine detaillierte Charakterisierung des reaktiven Leidenfrost-Effekts wurde für kleine Zellulosepartikel (~0,5 mm) auf polierten Hochtemperaturoberflächen durch Hochgeschwindigkeitsfotografie durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass sich Zellulose in kurzkettige Oligomere zersetzt, die schmelzen und glatte Oberflächen benetzen, wobei die Wärmeübertragung mit steigender Oberflächentemperatur zunimmt. Oberhalb von 675 °C (1.247 °F) wurde beobachtet, dass Zellulose ein Übergangssieden mit heftiger Blasenbildung und damit verbundener Verringerung der Wärmeübertragung zeigt. Das Abheben des Zellulosetropfens (rechts abgebildet) wurde oberhalb von etwa 750 °C beobachtet, was mit einer drastischen Verringerung der Wärmeübertragung einherging. ⓘ

Die Hochgeschwindigkeitsfotografie des reaktiven Leidenfrost-Effekts von Zellulose auf porösen Oberflächen (makroporöses Aluminiumoxid) hat ebenfalls gezeigt, dass der reaktive Leidenfrost-Effekt unterdrückt und die Gesamtwärmeübertragungsrate von der Oberfläche auf das Partikel erhöht wird. Das neue Phänomen des "reaktiven Leidenfrost-Effekts" (RL) wurde durch eine dimensionslose Größe (φ_RL= τ_conv/τ_rxn) charakterisiert, die die Zeitkonstante der Wärmeübertragung von Feststoffpartikeln mit der Zeitkonstante der Partikelreaktion in Beziehung setzt, wobei der reaktive Leidenfrost-Effekt für 10-1< φ_RL< 10⁺¹ auftritt. Der reaktive Leidenfrost-Effekt bei Cellulose tritt bei zahlreichen Hochtemperaturanwendungen mit Kohlenhydratpolymeren auf, z. B. bei der Umwandlung von Biomasse in Biokraftstoffe, bei der Zubereitung und dem Kochen von Lebensmitteln und bei der Verwendung von Tabak. ⓘ

Der Leidenfrost-Effekt wurde auch als Mittel zur Förderung chemischer Veränderungen verschiedener organischer Flüssigkeiten durch deren Umwandlung durch thermische Zersetzung in verschiedene Produkte genutzt. Beispiele sind die Zersetzung von Ethanol, Diethylcarbonat und Glycerin. ⓘ

In der Populärkultur

In Jules Vernes Buch Michael Strogoff von 1876 wird der Protagonist durch verdampfende Tränen davor bewahrt, von einer heißen Klinge geblendet zu werden. ⓘ

Im Finale der 7. Staffel von MythBusters, "Mini Myth Mayhem", zeigte das Team, dass eine Person ihre Hand befeuchten und kurz in geschmolzenes Blei tauchen kann, ohne sich zu verletzen, wobei der Leidenfrost-Effekt als wissenschaftliche Grundlage diente. ⓘ

Messmethode für Reinheitsgrad

Obwohl der Effekt lange bekannt ist und seine Grundlage gut verstanden wurde, gab es lange keine genauen Untersuchungen darüber, was genau mit den Tropfen bei ihrer Auflösung passiert. 2019 hat sich eine internationale Forschungsgruppe mit dieser Frage beschäftigt und entdeckt, dass manche Tropfen zerplatzen, während andere abheben, wenn sie klein genug werden. Ursache für das Zerplatzen sind Verunreinigungen in der Flüssigkeit; ab einer bestimmten Konzentration der Verunreinigung bricht das Kissen zusammen und der Tropfen fällt auf die heiße Oberfläche. Das durch das Platzen entstehende Knackgeräusch wurde bereits von Leidenfrost beobachtet, dieser konnte es aber nicht erklären. Da durch das Verdampfen der Flüssigkeit der Grad der Verunreinigung zum kritischen Zeitpunkt sowohl von der Konzentration in der Ausgangsflüssigkeit als auch von der Größe des ursprünglichen Tropfens abhängt, kann durch ein kontrolliertes Variieren der Tropfengröße über diesen Effekt bestimmt werden, wie rein die Ausgangsflüssigkeit ist. ⓘ