El efecto Leidenfrost es un fenómeno físico en el que un líquido, cerca de una superficie sólida de otro cuerpo que está significativamente más caliente que el punto de ebullición del líquido, produce una capa de vapor aislante que evita que el líquido hierva rápidamente. Debido a esta fuerza repulsiva, una gota flota sobre la superficie, en lugar de hacer contacto físico con ella. El efecto recibe su nombre del médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost , quien lo describió en Un tratado sobre algunas cualidades del agua común .
Esto se observa con mayor frecuencia al cocinar , cuando se rocían gotas de agua sobre una sartén caliente. Si la temperatura de la sartén es igual o superior al punto de congelación Leidenfrost, que es aproximadamente 193 °C (379 °F) para el agua, el agua se desliza por la sartén y tarda más en evaporarse de lo que tardaría si las gotas de agua se hubieran rociado sobre una sartén más fría.
El efecto se puede ver cuando se rocían gotas de agua sobre una sartén en varios momentos a medida que se calienta. Inicialmente, cuando la temperatura de la sartén está justo por debajo de los 100 °C (212 °F), el agua se aplana y se evapora lentamente, o si la temperatura de la sartén está muy por debajo de los 100 °C (212 °F), el agua permanece líquida. A medida que la temperatura de la sartén sube por encima de los 100 °C (212 °F), las gotas de agua silban al tocar la sartén y estas gotas se evaporan rápidamente. Cuando la temperatura supera el punto Leidenfrost, aparece el efecto Leidenfrost. Al entrar en contacto con la sartén, las gotas de agua se amontonan en pequeñas bolas de agua y se deslizan por el aire, lo que dura mucho más que cuando la temperatura de la sartén era más baja. Este efecto funciona hasta que una temperatura mucho más alta hace que las gotas de agua adicionales se evaporen demasiado rápido como para causar este efecto.
El efecto se produce porque, a temperaturas iguales o superiores al punto de Leidenfrost, la parte inferior de la gota de agua se vaporiza inmediatamente al entrar en contacto con la sartén caliente. El gas resultante suspende el resto de la gota de agua justo encima, impidiendo cualquier contacto directo posterior entre el agua líquida y la sartén caliente. Como el vapor tiene una conductividad térmica mucho peor que la sartén de metal, la transferencia de calor adicional entre la sartén y la gota se ralentiza drásticamente. Esto también hace que la gota pueda deslizarse alrededor de la sartén sobre la capa de gas que se encuentra justo debajo.
La temperatura a la que aparece el efecto Leidenfrost es difícil de predecir. Incluso si el volumen de la gota de líquido permanece constante, el punto de Leidenfrost puede ser bastante diferente, con una dependencia complicada de las propiedades de la superficie, así como de las impurezas que pueda haber en el líquido. Se han realizado algunas investigaciones para elaborar un modelo teórico del sistema, pero es bastante complicado. [1]
El efecto también fue descrito por el diseñador de calderas de vapor victoriano, William Fairbairn , en referencia a su efecto en la reducción masiva de la transferencia de calor desde una superficie de hierro caliente al agua, como dentro de una caldera. En un par de conferencias sobre diseño de calderas, [2] citó el trabajo de Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) y el profesor Bowman del King's College, Londres , al estudiar esto. Una gota de agua que se vaporizó casi inmediatamente a 168 °C (334 °F) persistió durante 152 segundos a 202 °C (396 °F). Las temperaturas más bajas en la caja de fuego de una caldera podrían evaporar el agua más rápidamente como resultado; compárese con el efecto Mpemba . Un enfoque alternativo fue aumentar la temperatura más allá del punto de Leidenfrost. Fairbairn también consideró esto, y puede haber estado contemplando la caldera de vapor flash , pero consideró que los aspectos técnicos eran insuperables para la época.
El punto de Leidenfrost también puede considerarse la temperatura en la que la gota suspendida dura más tiempo. [3]
Se ha demostrado que es posible estabilizar la capa de vapor de agua de Leidenfrost aprovechando superficies superhidrofóbicas . En este caso, una vez que se establece la capa de vapor, el enfriamiento nunca colapsa la capa y no se produce ebullición nucleada; en cambio, la capa se relaja lentamente hasta que se enfría la superficie. [4]
Las gotas de diferentes líquidos con diferentes temperaturas de ebullición también exhibirán un efecto Leidenfrost entre sí y se repelerán entre sí. [5]
El efecto Leidenfrost se ha utilizado para el desarrollo de espectrometría de masas ambiental de alta sensibilidad. Bajo la influencia de la condición Leidenfrost, la gota que levita no libera moléculas, y las moléculas se enriquecen dentro de la gota. En el último momento de la evaporación de la gota, todas las moléculas enriquecidas se liberan en un corto período de tiempo y, por lo tanto, aumentan la sensibilidad. [6]
Se ha desarrollado un prototipo de motor térmico basado en el efecto Leidenfrost, que tiene la ventaja de una fricción extremadamente baja. [7]
El efecto también se aplica cuando la superficie está a temperatura ambiente pero el líquido es criogénico , lo que permite que las gotas de nitrógeno líquido se deslicen sin causar daño sobre la piel expuesta. [8] Por el contrario, el efecto Leidenfrost inverso permite que gotas de líquido relativamente cálido leviten en un baño de nitrógeno líquido. [9]
El punto de Leidenfrost significa el inicio de la ebullición estable en película. Representa el punto en la curva de ebullición donde el flujo de calor es mínimo y la superficie está completamente cubierta por una capa de vapor. La transferencia de calor desde la superficie al líquido se produce por conducción y radiación a través del vapor. En 1756, Leidenfrost observó que las gotas de agua sostenidas por la película de vapor se evaporan lentamente a medida que se mueven sobre la superficie caliente. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, la radiación a través de la película de vapor se vuelve más significativa y el flujo de calor aumenta con el aumento del exceso de temperatura.
El flujo de calor mínimo para una placa horizontal grande se puede derivar de la ecuación de Zuber, [3]
donde las propiedades se evalúan a temperatura de saturación. La constante de Zuber, , es aproximadamente 0,09 para la mayoría de los fluidos a presiones moderadas.
El coeficiente de transferencia de calor se puede aproximar utilizando la ecuación de Bromley, [3]
donde es el diámetro exterior del tubo. La constante de correlación C es 0,62 para cilindros horizontales y placas verticales, y 0,67 para esferas. Las propiedades del vapor se evalúan a temperatura de película.
Para una ebullición estable de película sobre una superficie horizontal, Berenson modificó la ecuación de Bromley para obtener [10]
Para tubos verticales, Hsu y Westwater han correlacionado la siguiente ecuación, [10]
donde m es el caudal másico en el extremo superior del tubo.
A temperaturas superiores a las del flujo de calor mínimo, la contribución de la radiación se hace apreciable y se vuelve dominante a temperaturas excesivas elevadas. El coeficiente total de transferencia de calor es, por tanto, una combinación de ambos. Bromley ha sugerido las siguientes ecuaciones para la ebullición en película desde la superficie exterior de los tubos horizontales:
Si ,
El coeficiente de radiación efectivo se puede expresar como,
donde es la emisividad del sólido y es la constante de Stefan-Boltzmann.
La ecuación para el campo de presión en la región de vapor entre la gota y la superficie sólida se puede resolver utilizando las ecuaciones estándar de momento y continuidad utilizando un modelo de capa límite. En este modelo, para simplificar la resolución, se supone un perfil de temperatura lineal y un perfil de velocidad parabólico dentro de la fase de vapor . Se supone que la transferencia de calor dentro de la fase de vapor se realiza por conducción . Con estas aproximaciones, se pueden resolver las ecuaciones de Navier-Stokes para obtener el campo de presión. [11]
La temperatura de Leidenfrost es una propiedad de un conjunto dado de pares sólido-líquido. La temperatura de la superficie sólida más allá de la cual el líquido experimenta el fenómeno de Leidenfrost se denomina temperatura de Leidenfrost. El cálculo de la temperatura de Leidenfrost implica el cálculo de la temperatura mínima de ebullición de la película de un fluido. Berenson [12] obtuvo una relación para la temperatura mínima de ebullición de la película a partir de argumentos de flujo de calor mínimo. Si bien la ecuación para la temperatura mínima de ebullición de la película, que se puede encontrar en la referencia anterior, es bastante compleja, sus características se pueden entender desde una perspectiva física. Un parámetro crítico a considerar es la tensión superficial . La relación proporcional entre la temperatura mínima de ebullición de la película y la tensión superficial es de esperar, ya que los fluidos con mayor tensión superficial necesitan mayores cantidades de flujo de calor para el inicio de la ebullición nucleada . Dado que la ebullición de la película ocurre después de la ebullición nucleada, la temperatura mínima para la ebullición de la película debe tener una dependencia proporcional de la tensión superficial.
Henry desarrolló un modelo para el fenómeno de Leidenfrost que incluye humectación transitoria y evaporación de microcapas. [13] Dado que el fenómeno de Leidenfrost es un caso especial de ebullición pelicular, la temperatura de Leidenfrost está relacionada con la temperatura mínima de ebullición pelicular a través de una relación que tiene en cuenta las propiedades del sólido que se utiliza. Si bien la temperatura de Leidenfrost no está directamente relacionada con la tensión superficial del fluido, depende indirectamente de ella a través de la temperatura de ebullición pelicular. Para fluidos con propiedades termofísicas similares, el que tiene una tensión superficial más alta generalmente tiene una temperatura de Leidenfrost más alta.
Por ejemplo, para una interfaz saturada de agua y cobre, la temperatura de Leidenfrost es de 257 °C (495 °F). Las temperaturas de Leidenfrost para el glicerol y los alcoholes comunes son significativamente menores debido a sus valores de tensión superficial más bajos (las diferencias de densidad y viscosidad también son factores que contribuyen).
En 2015 se descubrió que los materiales no volátiles también exhiben un "efecto Leidenfrost reactivo", por el cual se observó que las partículas sólidas flotaban sobre superficies calientes y se deslizaban erráticamente. [14] Se completó la caracterización detallada del efecto Leidenfrost reactivo para partículas pequeñas de celulosa (~0,5 mm) en superficies pulidas a alta temperatura mediante fotografía de alta velocidad. Se demostró que la celulosa se descompone en oligómeros de cadena corta que se funden y humedecen las superficies lisas con una transferencia de calor creciente asociada con el aumento de la temperatura de la superficie. Por encima de los 675 °C (1247 °F), se observó que la celulosa exhibía una ebullición de transición con burbujeo violento y una reducción asociada en la transferencia de calor. Se observó que el despegue de la gota de celulosa (representada a la derecha) se produjo por encima de aproximadamente 750 °C (1380 °F), asociado con una reducción drástica en la transferencia de calor. [14]
También se ha demostrado que la fotografía de alta velocidad del efecto reactivo Leidenfrost de la celulosa sobre superficies porosas ( alúmina macroporosa ) suprime el efecto reactivo Leidenfrost y mejora las tasas generales de transferencia de calor a la partícula desde la superficie. El nuevo fenómeno de un "efecto reactivo Leidenfrost (RL)" se caracterizó por una cantidad adimensional, (φ RL = τ conv /τ rxn ), que relaciona la constante de tiempo de la transferencia de calor de la partícula sólida con la constante de tiempo de la reacción de la partícula, y el efecto reactivo Leidenfrost se produce para 10 −1 < φ RL < 10 +1 . El efecto reactivo Leidenfrost con celulosa se producirá en numerosas aplicaciones de alta temperatura con polímeros de carbohidratos, incluida la conversión de biomasa en biocombustibles , la preparación y cocción de alimentos y el uso de tabaco . [14]
El efecto Leidenfrost también se ha utilizado como un medio para promover el cambio químico de varios líquidos orgánicos a través de su conversión por descomposición térmica en varios productos. Algunos ejemplos incluyen la descomposición del etanol, [15] carbonato de dietilo, [16] y glicerol. [17]
En el libro de Julio Verne de 1876, Michael Strogoff , el protagonista se salva de ser cegado por una espada caliente gracias a la evaporación de lágrimas. [18]
En el final de la temporada 7 de 2009 de MythBusters , " Mini Myth Mayhem ", el equipo demostró que una persona puede mojarse la mano y sumergirla brevemente en plomo fundido sin lesionarse, utilizando el efecto Leidenfrost como base científica. [19]
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