تأثير لايدنفروست

تأثير لايدنفروست، أو الغليان الغشائي، ظاهرة فيزيائية تحدث عندما يلامس سائل سطحًا صلبًا لجسم آخر حرارته أعلى بكثير من درجة غليان السائل ، فيتكون غشاء عازل من البخار يمنع السائل من الغليان السريع. وبسبب هذه القوة التنافرية، تبقى القطرة معلقة فوق السطح بدلًا من ملامسته. سُمّي هذا التأثير نسبةً إلى الطبيب الألماني يوهان غوتلوب لايدنفروست ، الذي وصفه في كتابه "رسالة في بعض خصائص الماء العادي" . ^{[ 1 ]}

يُلاحظ هذا الأمر عادةً أثناء الطهي ، عند رش قطرات من الماء على مقلاة ساخنة. إذا كانت درجة حرارة المقلاة مساوية أو أعلى من نقطة لايدنفروست، والتي تبلغ حوالي 193 درجة مئوية (379 درجة فهرنهايت) للماء، فإن الماء ينزلق على سطح المقلاة ويستغرق وقتًا أطول للتبخر مقارنةً بما لو رُشّت قطرات الماء على مقلاة أبرد.  

يمكن ملاحظة تأثير لايدنفروست عند رش قطرات من الماء على مقلاة في أوقات مختلفة أثناء تسخينها. في البداية، عندما تكون درجة حرارة المقلاة أقل بقليل من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) ، تتسطح قطرات الماء وتتبخر ببطء، أو إذا كانت درجة حرارة المقلاة أقل بكثير من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) ، يبقى الماء سائلاً. عندما ترتفع درجة حرارة المقلاة فوق 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) ، تُصدر قطرات الماء صوت فحيح عند ملامستها للمقلاة، وتتبخر هذه القطرات بسرعة. عندما تتجاوز درجة الحرارة نقطة لايدنفروست، يظهر تأثير لايدنفروست. عند ملامسة المقلاة، تتجمع قطرات الماء على شكل كرات صغيرة وتتحرك بسرعة، وتستمر لفترة أطول بكثير مما كانت عليه عندما كانت درجة حرارة المقلاة منخفضة. يستمر هذا التأثير حتى تصل درجة الحرارة إلى مستوى أعلى بكثير، مما يؤدي إلى تبخر أي قطرات ماء أخرى بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تُحدث هذا التأثير.      

يحدث هذا التأثير لأنه عند درجات حرارة تساوي أو تتجاوز نقطة لايدنفروست، يتبخر الجزء السفلي من قطرة الماء فور ملامسته للمقلاة الساخنة. ويعلق الغاز الناتج الجزء المتبقي من قطرة الماء فوقها مباشرة، مانعًا أي تلامس مباشر آخر بين الماء السائل والمقلاة الساخنة. ولأن البخار أقل توصيلًا حراريًا بكثير من المقلاة المعدنية، فإن انتقال الحرارة بين المقلاة والقطرة يتباطأ بشكل كبير. وينتج عن ذلك أيضًا انزلاق القطرة على طبقة الغاز الموجودة أسفلها مباشرة على سطح المقلاة.

يصعب التنبؤ بدرجة الحرارة التي يظهر عندها تأثير لايدنفروست. فحتى لو ظل حجم قطرة السائل ثابتًا، قد تختلف نقطة لايدنفروست اختلافًا كبيرًا، إذ تعتمد بشكل معقد على خصائص السطح، فضلًا عن أي شوائب موجودة في السائل. وقد أُجريت بعض الأبحاث على نموذج نظري للنظام، ولكنه معقد للغاية. ^{[ 2 ]}

وصف ويليام فيربيرن ، مصمم غلايات البخار في العصر الفيكتوري، هذا التأثير أيضًا ، مشيرًا إلى دوره في تقليل انتقال الحرارة بشكل كبير من سطح حديدي ساخن إلى الماء، كما هو الحال داخل الغلاية. في محاضرتين حول تصميم الغلايات، ^{[ 3 ]} استشهد فيربيرن بأعمال بيير هيبوليت بوتيني (1798-1884) والبروفيسور بومان من كلية كينجز بلندن ، في دراسة هذه الظاهرة. فقد استمرت قطرة ماء تبخرت فورًا تقريبًا عند درجة حرارة 168 درجة مئوية (334 درجة فهرنهايت) لمدة 152 ثانية عند درجة حرارة 202 درجة مئوية (396 درجة فهرنهايت) . قد تؤدي درجات الحرارة المنخفضة في غرفة احتراق الغلاية إلى تبخر الماء بسرعة أكبر نتيجة لذلك؛ قارن بتأثير مبيمبا . كان هناك نهج بديل يتمثل في رفع درجة الحرارة إلى ما بعد نقطة لايدنفروست. وقد نظر فيربيرن في هذا الخيار أيضًا، وربما كان يفكر في غلاية البخار الفورية ، لكنه رأى أن الجوانب التقنية غير قابلة للتغلب عليها في ذلك الوقت.     

يمكن اعتبار نقطة لايدنفروست أيضًا درجة الحرارة التي تستمر عندها القطرة المعلقة لأطول فترة. ^{[ 4 ]}

لقد ثبت أنه من الممكن تثبيت طبقة بخار الماء في ليدنفروست باستخدام الأسطح فائقة الكراهية للماء . في هذه الحالة، بمجرد تشكل طبقة البخار، لا يؤدي التبريد إلى انهيارها، ولا يحدث غليان نووي؛ بل تسترخي الطبقة ببطء حتى يبرد السطح. ^{[ 5 ]}

ستُظهر قطرات السوائل المختلفة ذات درجات الغليان المختلفة أيضًا تأثير لايدنفروست فيما بينها، وستتنافر فيما بينها. ^{[ 6 ]}

استُخدم تأثير لايدنفروست لتطوير مطياف الكتلة المحيطي عالي الحساسية. في ظل ظروف لايدنفروست، لا تُطلق القطرة المعلقة جزيئات، بل تتراكم الجزيئات داخلها. في اللحظة الأخيرة من تبخر القطرة، تنطلق جميع الجزيئات المتراكمة خلال فترة زمنية قصيرة، مما يزيد من الحساسية. ^{[ 7 ]}

تم تصميم نموذج أولي لمحرك حراري يعتمد على تأثير لايدنفروست؛ ويتميز بانخفاض الاحتكاك بشكل كبير. ^{[ 8 ]}

ينطبق هذا التأثير أيضًا عندما يكون السطح في درجة حرارة الغرفة بينما يكون السائل شديد البرودة ، مما يسمح لقطرات النيتروجين السائل بالتدحرج دون ضرر عن الجلد المكشوف. ^{[ 9 ]} وعلى العكس من ذلك، يسمح تأثير لايدنفروست العكسي لقطرات السائل الدافئ نسبيًا بالطفو على سطح النيتروجين السائل. ^{[ 10 ]}

تُشير نقطة لايدنفروست إلى بداية الغليان الغشائي المستقر. وهي تمثل النقطة على منحنى الغليان حيث يكون تدفق الحرارة في أدنى مستوياته، ويُغطى السطح بالكامل بطبقة من البخار. ينتقل الحرارة من السطح إلى السائل عن طريق التوصيل والإشعاع عبر البخار. في عام ١٧٥٦، لاحظ لايدنفروست أن قطرات الماء التي يحملها غشاء البخار تتبخر ببطء أثناء تحركها على السطح الساخن. ومع ارتفاع درجة حرارة السطح، يصبح الإشعاع عبر غشاء البخار أكثر أهمية، ويزداد تدفق الحرارة مع ارتفاع درجة الحرارة الزائدة.

يمكن اشتقاق الحد الأدنى لتدفق الحرارة للوحة أفقية كبيرة من معادلة زوبر، ^{[ 4 ]}

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

حيث يتم تقييم الخصائص عند درجة حرارة التشبع. ثابت زوبر،${\displaystyle C}$، تبلغ قيمتها حوالي 0.09 لمعظم السوائل عند الضغوط المعتدلة.

يمكن تقريب معامل انتقال الحرارة باستخدام معادلة بروملي، ^{[ 4 ]}

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

أين${\displaystyle {{D}_{o}}}$يمثل القطر الخارجي للأنبوب. معامل الارتباط C يساوي 0.62 للأسطوانات الأفقية والصفائح الرأسية، و0.67 للكرات. تُقيّم خصائص البخار عند درجة حرارة الفيلم.

بالنسبة للغليان الفيلمي المستقر على سطح أفقي، قام بيرنسون بتعديل معادلة بروملي ليعطي، ^{[ 11 ]}

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

بالنسبة للأنابيب الرأسية، قام كل من Hsu و Westwater بربط المعادلة التالية، ^{[ 11 ]}

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

حيث m هو معدل تدفق الكتلة في${\displaystyle l{{b}_{m}}/hr}$في الطرف العلوي للأنبوب.

عند درجات حرارة أعلى من تلك التي يكون عندها تدفق الحرارة الأدنى، يصبح تأثير الإشعاع ملحوظًا، ويصبح هو المهيمن عند درجات الحرارة المرتفعة. وبالتالي، فإن معامل انتقال الحرارة الكلي هو مزيج من الاثنين. وقد اقترح بروملي المعادلات التالية للغليان الفيلمي من السطح الخارجي للأنابيب الأفقية:

$${\displaystyle {{h}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}={{h}_{conv}}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}+{{h}_{rad}}{{h}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}}$$

لو${\displaystyle {{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}}$،

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

معامل الإشعاع الفعال،${\displaystyle {{h}_{rad}}}$يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

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

أين${\displaystyle \varepsilon }$هي انبعاثية المادة الصلبة و${\displaystyle \sigma }$هو ثابت ستيفان-بولتزمان.

يمكن حل معادلة مجال الضغط في منطقة البخار بين القطرة والسطح الصلب باستخدام معادلات الزخم والاستمرارية القياسية، وذلك بتطبيق نموذج الطبقة الحدية . في هذا النموذج، ولتبسيط الحل، يُفترض وجود توزيع خطي لدرجة الحرارة وتوزيع مكافئ للسرعة داخل طور البخار . كما يُفترض أن انتقال الحرارة داخل طور البخار يتم بالتوصيل . باستخدام هذه التقريبات، يمكن حل معادلات نافيير-ستوكس للحصول على مجال الضغط. ^{[ 12 ]}

درجة حرارة لايدنفروست هي خاصية لزوج معين من المواد الصلبة والسائلة. تُعرف درجة حرارة سطح المادة الصلبة التي يبدأ عندها السائل بالخضوع لظاهرة لايدنفروست بدرجة حرارة لايدنفروست. يتضمن حساب درجة حرارة لايدنفروست حساب الحد الأدنى لدرجة حرارة الغليان الفيلمي للسائل. وقد توصل بيرنسون ^{[ 13 ]} إلى علاقة للحد الأدنى لدرجة حرارة الغليان الفيلمي انطلاقًا من حجج الحد الأدنى لتدفق الحرارة. على الرغم من أن معادلة الحد الأدنى لدرجة حرارة الغليان الفيلمي، والموجودة في المرجع المذكور أعلاه، معقدة نوعًا ما، إلا أنه يمكن فهم خصائصها من منظور فيزيائي. أحد المعايير الحاسمة التي يجب مراعاتها هو التوتر السطحي . من المتوقع وجود علاقة طردية بين الحد الأدنى لدرجة حرارة الغليان الفيلمي والتوتر السطحي، حيث تحتاج السوائل ذات التوتر السطحي الأعلى إلى كميات أكبر من تدفق الحرارة لبدء الغليان النوي . وبما أن الغليان الفيلمي يحدث بعد الغليان النوي، فإن الحد الأدنى لدرجة حرارة الغليان الفيلمي يجب أن يكون له اعتماد طردي على التوتر السطحي.

طوّر هنري نموذجًا لظاهرة لايدنفروست يتضمن التبلل العابر وتبخر الطبقة الدقيقة. ^{[ 14 ]} ولأن ظاهرة لايدنفروست حالة خاصة من الغليان الفيلمي، فإن درجة حرارة لايدنفروست ترتبط بأدنى درجة حرارة للغليان الفيلمي عبر علاقة تأخذ في الاعتبار خصائص المادة الصلبة المستخدمة. ورغم أن درجة حرارة لايدنفروست لا ترتبط مباشرةً بالتوتر السطحي للسائل، إلا أنها تعتمد عليه بشكل غير مباشر من خلال درجة حرارة الغليان الفيلمي. بالنسبة للسوائل ذات الخصائص الحرارية الفيزيائية المتشابهة، فإن السائل ذو التوتر السطحي الأعلى عادةً ما تكون درجة حرارة لايدنفروست فيه أعلى. وقد لوحظت ظاهرة مشابهة أثناء تصلب قطرات شمع البارافين، حيث تتخذ شكلًا مميزًا يشبه التفاحة مع انخفاض مركزي نتيجةً للتأثيرات المشتركة للجاذبية وزيادة اللزوجة والتوصيل الحراري عبر منطقة شبه صلبة. ^{[ 15 ]}

على سبيل المثال، بالنسبة لسطح التماس بين الماء المشبع والنحاس، تبلغ درجة حرارة لايدنفروست 257 درجة مئوية (495 درجة فهرنهايت) . أما درجات حرارة لايدنفروست للجلسرين والكحولات الشائعة فهي أقل بكثير نظرًا لانخفاض قيم التوتر السطحي فيها (وتُعدّ اختلافات الكثافة واللزوجة من العوامل المساهمة أيضًا).  

في عام 2015، اكتُشف أن المواد غير المتطايرة تُظهر أيضًا "تأثير لايدنفروست التفاعلي"، حيث لوحظ أن الجسيمات الصلبة تطفو فوق الأسطح الساخنة وتتحرك بشكل عشوائي. ^{[ 16 ]} أُجري توصيف دقيق لتأثير لايدنفروست التفاعلي على جسيمات صغيرة من السليلوز (حوالي 0.5  مم) على أسطح مصقولة ذات درجة حرارة عالية باستخدام التصوير عالي السرعة. وقد تبين أن السليلوز يتحلل إلى قليل الوحدات قصيرة السلسلة التي تنصهر وتبلل الأسطح الملساء مع زيادة انتقال الحرارة المصاحبة لارتفاع درجة حرارة السطح. عند درجة حرارة أعلى من 675 درجة مئوية (1247 درجة فهرنهايت) ، لوحظ أن السليلوز يُظهر غليانًا انتقاليًا مصحوبًا بفقاعات عنيفة وانخفاض في انتقال الحرارة. كما لوحظ انفصال قطرة السليلوز (الموضحة على اليمين) عند درجة حرارة أعلى من 750 درجة مئوية (1380 درجة فهرنهايت) ، مصحوبًا بانخفاض حاد في انتقال الحرارة. ^{[ 16 ]}    

أظهرت دراسةٌ باستخدام التصوير عالي السرعة لتأثير لايدنفروست التفاعلي للسليلوز على الأسطح المسامية ( الألومينا ذات المسام الكبيرة) قدرةً على كبح هذا التأثير وتعزيز معدلات انتقال الحرارة الكلية من السطح إلى الجسيم. وقد وُصفت ظاهرة "تأثير لايدنفروست التفاعلي" (RL) الجديدة بكمية لا بُعدية ( _φRL = _τconv /τrxn ₎ ، تربط ثابت الزمن لانتقال الحرارة من الجسيم الصلب بثابت الزمن لتفاعل الجسيم، حيث يحدث تأثير لايدنفروست التفاعلي ضمن النطاق 10⁻¹ ^< φRL _< 10⁺¹ ^. وسيظهر تأثير لايدنفروست التفاعلي مع السليلوز في العديد من التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مع بوليمرات الكربوهيدرات، بما في ذلك تحويل الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي ، وإعداد وطهي الطعام، واستخدام التبغ . ^{[ 16 ]}

استُخدم تأثير لايدنفروست أيضاً كوسيلة لتحفيز التغيير الكيميائي للعديد من السوائل العضوية من خلال تحويلها بالتحلل الحراري إلى منتجات مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك تحلل الإيثانول، ^{[ 17 ]} وكربونات ثنائي الإيثيل، ^{[ 18 ]} والجلسرين. ^{[ 19 ]}

في رواية جول فيرن " مايكل ستروغوف" التي صدرت عام 1876 ، يتم إنقاذ البطل من التعرض للعمى بسبب شفرة ساخنة بفضل دموعه المتبخرة. ^{[ 20 ]}

في الحلقة الأخيرة من الموسم السابع من برنامج " ميثباسترز " عام 2009 ، بعنوان " فوضى الأساطير المصغرة "، أثبت الفريق أن بإمكان الشخص أن يبلل يده ويغمسها لفترة وجيزة في الرصاص المنصهر دون أن يصاب بأذى، مستخدمين تأثير لايدنفروست كأساس علمي. ^{[ 21 ]}

في الحلقة الرابعة من أنمي Aldnoah.Zero لعام ٢٠١٤ ، يظهر تأثير لايدنفروست عندما تلامس مقذوفات معدنية بلازما شديدة الحرارة، مما يتسبب في انحرافها بشكل كبير عن مسارها. تذوب رؤوس هذه المقذوفات على الفور تقريبًا، عازلةً الكتلة التي تليها ومسببةً انحرافات عشوائية في مسارها. قد لا يكون من المعقول تمامًا عزو هذا السيناريو إلى تأثير لايدنفروست نظرًا للتكوين غير القياسي للكتل المعنية.

• التدفق الحراري الحرج
• مفارقة المنطقة بيتا

• مقال عن التأثير وعروض توضيحية بقلم جيرل ووكر (ملف PDF)
• موقع إلكتروني يحتوي على فيديو عالي السرعة وصور وشرح لعملية غليان الأفلام من إعداد هاينر لينكه في جامعة أوريغون، الولايات المتحدة الأمريكية
• "علماء يجعلون الماء يتدفق عكس التيار" - تقرير إخباري من بي بي سي حول استخدام تأثير لايدنفروست لتبريد رقائق الكمبيوتر .
• "مياه صاعدة" - قصة من برنامج ABC Catalyst
• "متاهة لايدنفروست" – طلاب المرحلة الجامعية الأولى في جامعة باث، كارمن تشينغ وماثيو غاي
• "عندما يتدفق الماء صعودًا" – برنامج "ساينس فرايداي" مع البروفيسور كي تاكاشينا من جامعة باث
• جيفري، كولين (10 مارس 2015). "محرك يعمل بثاني أكسيد الكربون المتجمد قد يُشغّل مهمة إلى المريخ" . جيزماج . تاريخ الاسترجاع: 10 مارس 2015 .
• كارولين إمباخ، بوابة الأبحاث: الترجمة الإنجليزية ليوهان جوتلوب لايدنفروست، De aquae communes Nonnullis qualitatibustractatus ، Duisburg on Rhine، 1756. (Carolyn SE Wares aka Carolyn Embach، مترجمة، 1964)