라이덴프로스트 效果 (Leidenfrost effect)는 어떤 液體가 그 液體의 끓는點 보다 훨씬 더 뜨거운 部分과 接觸할 境遇 빠르게 液體가 끓으면서 蒸氣 로 이루어진 斷熱層이 만들어지는 現象이다.이 效果는 料理 할 때 溫度를 測定하기 위해 프라이팬에 물을 뿌려보는 境遇 等으로 가장 흔하게 볼 수 있다. 이때 프라이팬의 溫度가 라이덴프로스트 支店 以上일 境遇에는 물이 프라이팬 위에서 마구 움직인다. 또한 물의 끓는點보다는 높지만 라이덴프로스트 地點 以下의 溫度일 境遇보다 氣化하는데 時間이 더 걸리게 된다. 이 效果는 바닥에서 잽싸게 움직이는 液體 窒素 에서도 볼 수 있다. 또한, 이 效果는 液體 납 이나 ^[1] 液體 窒素에 손을 넣었다가 빼거나 입에 넣는 試演을 보여줄 때 事故가 일어나지 않는 理由를 說明해주기도 한다. ^[2] 後者의 試演 같은 境遇는 더 危險한데, 失手로 液體 窒素를 삼켰을 境遇 매우 危險하며 致命的인 負傷을 입을 수 있다. ^[3]

이 效果는 요한 高틀롭 라이덴프로스트 가 그의 著書인 "A Tract About Some Qualities of Common Water"에서 처음 論議하면서 그의 이름을 따서 지어졌다.

效果 [ 編輯 ]

이 效果는 달궈진 프라이팬에 물방울을 떨어트려 보는 것으로 確認할 수 있다. 처음에 프라이팬의 溫度는 100℃ 直前이면 물은 퍼지면서 천천히 蒸發하며, 100℃에서 많이 낮은 境遇에는 물은 液體 狀態를 維持하고 있다. 팬의 溫度가 100℃를 넘어서면 팬에 물방울이 닿을 때마다 쉬익 소리를 내면서 재빨리 蒸發한다. 以後, 팬의 溫度가 라이덴프로스트 地點을 突破하는 瞬間 라이덴프로스트 效果가 나타난다. 팬과 接觸한 물은 작은 공 模樣으로 變하면서 周邊으로 빠르게 움직이며, 이보다 낮은 溫度에 있을 때보다 더 오랫동안 液體狀態로 머무르게 된다. 이 效果는 너무 높은 溫度에 露出된 물이 너무 빨리 蒸發하여 물방울 模樣을 오랫동안 維持하게 되는 原理이다.

이 效果가 일어나게 되는 理由는 라이덴프로스트 支店 以上의 溫度에서는 물방울의 바닥 部分이 瞬息間에 基化하기 때문이다. 이로 인해 생긴 蒸氣는 바로 위의 물방울과 바닥 사이에 끼여 있게 되며, 물과 뜨거운 판 사이의 直接的인 接觸을 막게 된다. 蒸氣는 熱傳導率 이 매우 낮기 때문에 팬과 물방울 사이의 熱傳達은 매우 느려지게 된다. 또한, 蒸氣層이 팬에서 미끄러지면서 물방울 또한 빠르게 움직이는 것처럼 보이게 된다.

라이덴프로스트 效果가 일어나는 溫度를 豫測하는 것은 쉽지 않다. 甚至於 液體 물방울의 부피가 서로 同一하더라도 라이덴프로스트 效果는 複雜한 表面 性質, 液體 內의 不純物 等 相當히 여러 性質에 依存하기 때문에 라이덴프로스트 支店은 서로 다를 수 있다. 一部 硏究는 이 效果에 對한 理論的인 모델을 提示하고 있지만, 이 모델은 매우 複雜하다. ^[4] 아주 大略的으로, 프라이팬에 떨어진 물방울의 라이덴프로스트 地點은 約 193℃이다.

이 效果는 빅토리아 時代의 有名한 보일러 디자이너 윌리엄 페어베言 이 보일러 內와 같이 뜨거운 鐵 表面의 물의 熱傳達이 매우 減少하는 現象을 硏究하면서도 잘 알려졌다. 보일러 設計에 對한 講義를 한 두 篇의 講義에서 ^[5] 그는 피레 풀리테 洑팅기니(Pierre Hippolyte Boutigny)와 킹스 칼리지 런던 의 보먼 敎授의 硏究를 引用했다. 여기서 뜨거운 철에 떨어뜨린 물은 철이 168℃일때는 거의 卽時 蒸發했지만, 202℃에서는 152秒間 液體 狀態를 維持했다고 말했다. 낮은 溫度의 보일러 畫室에서는 이 效果로 인해 더 빨리 물이 蒸發할 수 있는데, 이를 音펨바 效果 와 比較해볼 수 있다. 다른 方法으로 溫度가 라이덴프로스트 支店 以上으로 올라갔다. 페어베언도 이를 考慮하고 플래시 보일러 에 關해서 念頭에 두고 있었지만 時間으로도 克服할 수 없는 技術的 側面도 考慮해야 했다.

라이덴프로스트 地點은 물방울이 空中에 띄어 있을 때, 가장 오랫동안 持續되는 溫度로도 알 수 있다. ^[6]

이것은 超疏水性 表面을 利用하여 물과 라이덴프로스트 空氣層을 安定化하면서 證明할 수 있게 되었다. 이 境遇, 一旦 蒸氣層이 만들어지면 冷却으로도 이 層은 작아지지 않으며, 어떠한 核非等도 나타나지 않는다. 이 蒸氣層은 表面이 冷却될 때만 徐徐히 줄어든다. ^[7]

라이덴프로스트 效果는 高感度 大氣質量分析法의 開發에 使用되었다. 라이덴프로스트 效果가 일어나는 떠 있는 물방울의 狀態는 分子가 밖으로 나오지 않으며 오히려 이 分子들은 물방울 안으로 濃縮된다. 모든 分子가 濃縮된 물방울이 蒸着될려는 瞬間에야 짧은 時間 물방울 밖으로 分離되고 感度가 增加한다. 이 結果는 質量分析을 위한 美國 社會 저널에 登載되었다. ^[8]

라이덴프로스트 支店 [ 編輯 ]

라이덴프로스트 地點은 安定한 幕裨等이 發生하는 地點이다. 이 때가 熱流速에서 沸騰曲線上에 點이 最小인 때이며 表面이 完全히 蒸氣로 덮여 있는 狀態를 나타낸다. 液體 表面에서의 熱傳達은 蒸氣를 통한 傳道와 輻射熱을 통해 이루어진다. 1756年, 라이덴프로스트는 뜨거운 表面 위의 물이 蒸氣 幕의 保護를 받아 천천히 蒸發하면서 이리저리 움직이는 現象을 觀察했다. 表面의 溫度가 增加하면서 증기막을 通한 輻射熱이 增加하며 溫度 增加와 함께 熱流速이 增加한다는 것을 밝혀냈다. 約 200度부터 라이덴 프로스트 效果가 始作된다.

크고 水平인 板 위의 最少 熱流速은 第베르(Zuber) 方程式으로 誘導할 수 있다. ^[6]

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

여기서 特性은 飽和溫度를 통해 決定된다. 第베르 常數 C는 平均 壓力의 流體에서 約 0.09이다.

熱傳達의 相關關係 [ 編輯 ]

熱傳達係數는 브롬 方程式을 利用하여 近似할 수 있다. ^[6]

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

여기서 ${\displaystyle {{D}_{o}}}$는 棺의 바깥지름이다. 相關關係 常數 C는 水平 실린더에서는 0.62이며 垂直 板 및 具體에서는 0.67이다. 이 蒸氣의 特性은 막 溫度로 決定된다.

베레슨은 水平의 表面에 끓는 安定한 막 狀態를 産出하기 위해 브롬의 方程式을 若干 修正했다. ^[9]

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

垂直 튜브에서 흐슈와 워스트워터는 다음과 같은 式을 導出했다. ^[9]

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

여기서 m은 튜브 上端部의 ${\displaystyle l{{b}_{m}}/hr}$ 質量 流量이다.

最少 熱流速을 넘는 溫度에서는 輻射線을 통한 熱傳達이 增加하며 이 狀態에서 溫度가 漸漸 올라갈수록 輻射熱을 通한 熱傳達은 相當한 量을 차지하게 된다. 따라서, 全體的인 熱傳達係數는 이들의 組合이다. 브롬銀 水平 튜브의 外郭 表面에서 沸騰하는 沸騰膜에 對한 다음 方程式을 세웠다.

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

萬若 ${\displaystyle {{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}}$라면,

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

有效 輻射率, 卽 ${\displaystyle {{h}_{rad}}}$은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

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

여기서, ${\displaystyle \varepsilon }$은 固體의 放射率이며 ${\displaystyle \sigma }$은 슈테판-볼츠만 常數이다.

같이 보기 [ 編輯 ]

• 임계열속
• 音펨바 效果
• 核沸騰
• 레지온 베타 逆說 (region-beta paradox)

各州 [ 編輯 ]

外部 링크 [ 編輯 ]

위키미디어 共用 에 關聯된
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라이덴프로스트 效果

• Jearl Walker가 作成한 이 效果와 試演에 關한 에세이 (PDF)
• Site with high-speed video, pictures and explanation of film-boiling by Heiner Linke at the University of Oregon, USA
• "Scientists make water run uphill" by BBC News about using the Leidenfrost effect for cooling of computer chips .
• "Uphill Water" - ABC Catalyst story
• "Leidenfrost Maze" - University of Bath undergraduate students Carmen Cheng and Matthew Guy
• "When Water Flows Uphill" - Science Friday with Univ of Bath professor Kei Takashina