Химия и Химики № 2 2016. Leidenfrost effect (Water on Hot Surface). Эффект Лейденфроста (Сфероидальное состояние)

Дистиллированная вода. Distilled Water

Если капля воды соприкасается с поверхностью, нагретой до температуры кипения (или чуть выше), вода быстро нагревается и бурно вскипает с разбрызгиванием. Через пару мгновений капля исчезнет: для полного испарения понадобится несколько секунд. В этом легко убедиться, если капнуть воду на умеренно горячий металл.

Но если поверхность металла нагрета до температуры, значительно более высокой, чем точка кипения воды, то случится неожиданное. Вместо того чтобы моментально вскипеть, капля воды примет форму деформированного шара, который "зависнет" примерно в 0.1 мм от поверхности и будет двигаться, медленно испаряясь. Испарение капли может занять десятки секунд или даже несколько минут! - При этом металл может быть раскален докрасна!

Такое удивительное поведение имеет простое объяснение. Если поверхность нагрета, например, до 102°С, вода при соприкосновении с поверхностью быстро нагревается до этой температуры, бурно вскипает, разбрызгивается и испаряется. Но если поверхность нагрета, скажем до 300°С, то испарение при контакте капли с горячей поверхностью будет настолько активным, что слой пара изолирует жидкую воду от контакта с нагретым металлом. Капля зависнет на "паровой подушке" - снизу она будет поддерживаться нисходящим потоком пара, который образуется за счет постоянного испарения воды (аналогично принципу корабля на воздушной подушке). А поскольку теплопроводность пара намного ниже, чем теплопроводность воды, тепло к капле будет подводиться медленно, что очень замедлит испарение воды.

Разумеется, сказанное относится не только к воде, но и к другим жидкостям: жидкости могут быть самыми разнообразными. Нагретая поверхность совсем не обязательно должна быть металлической (важно, чтобы она была гладкой, при этом - ровной или вогнутой).

Описанное явление называется эффект Лейденфроста (Leidenfrost effect), или сфероидальное состояние. Более подробно с сутью эффекта Лейденфроста можно познакомиться в статье Кипение и эффект Лейденфроста [ссылка].

Благодаря эффекту Лейденфроста можно "пить" (точнее, набирать в рот) жидкий кислород или жидкий азот, держать на ладонях капли жидкого кислорода (азота) и даже погружать руку в жидкий азот (температура минус 196°С)! Да что там в азот? - Можно погружать пальцы в расплавленный свинец и вынуть их без ожога! [1] Можно также ходить босыми ногами по раскаленным углям. Подобные эксперименты опасны, и повторять их не рекомендуется, но если делать все правильно, есть хороший шанс остаться целым. Упомянутые эксперименты с жидким азотом и расплавленным свинцом я проводил и снимал, но какая ирония: съемку эффекта Лейденфроста для обыкновенной воды не делал ни разу. А данный эксперимент может быть не менее интересным.

Итак, эксперимент. Закрепил столовую ложку из нержавеющей стали в штативе. Под ложкой поставил горелку Бунзена, зажег пламя. Ложка раскалилась докрасна, поверхность стали покрылась темной пленкой оксидов, поэтому эксперимент пришлось снимать на темном фоне. С помощью пипетки осторожно (небольшими порциями) заполнил ложку водой - примерно на 2/3 [1-1]. Желательно использовать дистиллированную воду.

Большая "капля" держалась на паровой подушке, поэтому моментального испарения от контакта с раскаленной сталью не произошло. Временами капля воды была прозрачной, временами - молочно-белой (из-за пузырьков пара). В одном из опытов на поверхности воды даже образовался антипузырь [2] - вода в оболочке из пара

Испарение воды с раскаленной ложки заняло более пяти минут! - Если бы ложка была нагрета слабее, то вся вода испарилась бы и разбрызгалась всего за несколько секунд.

Если ложку сместить, капля воды легко скользила по ее поверхности - за счет образования паровой подушки трение было минимальным. Мелкие капельки двигались по поверхности раскаленной ложки очень быстро, нередко они выскальзывали.

Часто наблюдались разнообразные колебания капли. Одни колебания были связаны с изменением положения всей капли (поступательное движение и вращение), другие - с ее деформацией: капля пульсировала. Пульсации капли воды напоминали "треугольные пульсации" капли ртути в опыте "ртутное сердце" [3], только пульсирующая капля воды была похожа скорее не на треугольник, а на многолучевую звезду со сглаженными (не острыми) лучами.

Капля постепенно испарялась, но этот процесс был медленным. Когда диаметр капли уменьшился примерно до нескольких миллиметров, стало заметно, что вода загрязнена примесями: бурого и белого цвета. Часть из них перешла в воду с поверхности ложки, часть была в самой воде - даже дистиллированная вода не свободна от примесей. После полного испарения капли остается твердая частичка, которая иногда "взрывается" (как крупные кристаллы поваренной соли на нагретой сковородке).

Именно поэтому для опыта желательно использовать дистиллированную воду, а не воду с крана. Если дистиллированной воды нет, думаю, ее можно заменить дождевой водой. Впрочем, даже в случае водопроводной воды опыт получается хорошо - с той разницей, что на заключительной стадии из воды начинают выпадать в осадок растворенные примеси.

__________________________________________________
¹ См. статьи:
Небо в стакане или опыты с жидким кислородом ч.1-2. Сфероидальное состояние [ссылка];
Опыты с жидким азотом ч.3. Сфероидальный эффект [ссылка];
Опыты с жидким азотом ч.3a. Лед и пламя (сфероидальный эффект) [ссылка];
Опыты с жидким азотом ч.8. Можно ли пить жидкий азот? [ссылка];
Рука и расплавленный свинец ч.2. How to Dip your Fingers into Molten Lead (without any Burns) [ссылка]

^1-1 Очень важно добавлять воду в ложку достаточно медленно, иначе поверхность металла охладится, и паровая подушка исчезнет: начнется "обыкновенное" кипение (т.е. эффект Лейденфроста не будет наблюдаться). В результате содержимое ложки быстро выкипит.

² Что такое антипузыри - см. статью Мыльные антипузыри / Soap Antibubble [ссылка]

³ См., например, статью Ртутное сердце / Mercury beating heart. Капля ртути, серная кислота и перекись водорода [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (190 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео (320 Мб, .avi )