ライデンフロスト効果

ライデンフロスト効果、または膜沸騰は、液体が沸点よりかなり高温の固体表面の近くにある場合、液体が断熱性の蒸気層を形成し、液体が急速に沸騰するのを防ぐ物理現象です。この反発力のため、液滴は表面に物理的に接触するのではなく、その上に浮かびます。この効果は、ドイツの医師ヨハン・ゴットロープ・ライデンフロストにちなんで名付けられました。彼は著書『一般的な水の性質についての論文』の中でこの現象について述べています。^{[ 1 ]}

これは、調理中に熱いフライパンに水滴を振りかけたときによく見られる現象です。フライパンの温度がライデンフロスト点（水の場合、約193 ℃ ）以上であれば、水滴はフライパンの上を滑り、より温度の低いフライパンに振りかけた場合よりも蒸発に時間がかかります。  

ライデンフロスト効果は、フライパンを加熱しながら様々なタイミングで水滴を振りかけると観察できます。最初は、フライパンの温度が100 ℃（212 °F）をわずかに下回ると、水滴は平らになりゆっくりと蒸発します。フライパンの温度が100 ℃（212 °F）をはるかに下回ると、水滴は液体のままです。フライパンの温度が100 ℃（212 °F）を超えると、水滴がフライパンに触れるとシューという音を立て、水滴は急速に蒸発します。温度がライデンフロスト点を超えると、ライデンフロスト効果が現れます。水滴はフライパンに触れると小さな水の球に集まり、飛び回ります。この状態は、フライパンの温度が低かったときよりもはるかに長く続きます。この効果は、温度がさらに高くなり、それ以上の水滴が蒸発しすぎてこの効果を起こさなくなるまで続きます。      

この現象は、ライデンフロスト点以上の温度では、水滴の下部が熱い鍋に触れるとすぐに蒸発するため起こります。発生した気体は水滴の残りの部分をそのすぐ上に浮かせ、液体の水と熱い鍋との直接的な接触を防ぎます。蒸気は金属製の鍋よりも熱伝導率がはるかに低いため、鍋と水滴間の熱伝達は劇的に遅くなります。このため、水滴はすぐ下の気体の層の上を滑るように鍋の上を移動することができます。

ライデンフロスト効果が現れる温度を予測するのは難しい。液滴の体積が同じであっても、ライデンフロスト点はかなり異なる可能性があり、表面の特性や液体中の不純物に複雑に依存する。このシステムの理論モデルに関する研究はいくつか行われているが、非常に複雑である。^{[ 2 ]}

この効果は、ビクトリア朝時代の蒸気ボイラー設計者ウィリアム・フェアバーンによっても説明されており、ボイラー内部などの高温の鉄表面から水への熱伝達を大幅に減少させる効果について言及されている。ボイラー設計に関する2つの講義^{[ 3 ]}の中で、彼はこの研究においてピエール・イポリット・ブティニー（1798-1884）とロンドン大学キングス・カレッジのボウマン教授の研究を引用している。168 °C（334 ° F）でほぼ瞬時に蒸発した水滴は、202 °C（396 °F）では152秒間持続した。ボイラーの燃焼室の温度が低いと、結果として水がより速く蒸発する可能性がある。ムペンバ効果と比較せよ。別のアプローチは、ライデンフロスト点を超えて温度を上げることであった。フェアバーンもこれを検討し、フラッシュ蒸気ボイラーを構想していた可能性があるが、当時の技術的な側面は克服不可能だと考えた。     

ライデンフロスト点は、浮遊する液滴が最も長く持続する温度と考えることもできる。^{[ 4 ]}

超疎水性表面を利用することで、水のライデンフロスト蒸気層を安定化できることが実証されている。この場合、蒸気層が形成されると、冷却によって層が崩壊することはなく、核沸騰も起こらない。代わりに、表面が冷却されるまで層はゆっくりと緩和する。^{[ 5 ]}

沸点が異なる様々な液体の液滴も、互いにライデンフロスト効果を示し、反発し合う。^{[ 6 ]}

ライデンフロスト効果は、高感度環境質量分析法の開発に利用されてきた。ライデンフロスト条件の影響下では、浮遊液滴は分子を放出せず、分子は液滴内部に濃縮される。液滴が蒸発する最後の瞬間に、濃縮された分子が短時間で全て放出され、感度が向上する。^{[ 7 ]}

ライデンフロスト効果に基づく熱機関の試作機が開発されており、摩擦が極めて低いという利点がある。^{[ 8 ]}

この効果は、表面が室温で液体が極低温の場合にも適用され、液体窒素の液滴が露出した皮膚から無害に転がり落ちることを可能にする。^{[ 9 ]}逆に、逆ライデンフロスト効果により、比較的温かい液体の液滴が液体窒素の浴槽上で浮遊する。^{[ 10 ]}

ライデンフロスト点は、安定した膜沸騰の開始点を示します。これは沸騰曲線上で熱流束が最小となり、表面が完全に蒸気層で覆われる点です。表面から液体への熱伝達は、蒸気を介した伝導と放射によって起こります。1756年、ライデンフロストは、蒸気膜に支えられた水滴が高温の表面上を移動しながらゆっくりと蒸発していく様子を観察しました。表面温度が上昇するにつれて、蒸気膜を介した放射がより顕著になり、過剰温度の上昇とともに熱流束が増加します。

大きな水平板の最小熱流束は、ズーバーの式から導き出すことができる。^{[ 4 ]}

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

ここで、特性は飽和温度で評価されます。ズーバー定数、${\displaystyle C}$中程度の圧力におけるほとんどの流体の場合、約0.09です。

熱伝達係数はブロムリーの式を用いて近似することができる^{[ 4 ]}

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

どこ${\displaystyle {{D}_{o}}}$は管の外径です。相関定数Cは、水平円筒および垂直板の場合は0.62、球の場合は0.67です。蒸気特性は膜温度で評価されます。

水平面上での安定した膜沸騰の場合、ベレンソンはブロムリーの式を修正して、^{[ 11 ]を得た。}

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

垂直管の場合、HsuとWestwaterは次の式を相関させている。^{[ 11 ]}

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

ここで、mは質量流量である。${\displaystyle l{{b}_{m}}/hr}$チューブの上端。

最小熱流束時よりも高い過剰温度では、放射の寄与が顕著になり、高い過剰温度では放射が支配的になります。したがって、総熱伝達係数は、この2つの組み合わせになります。ブロムリーは、水平管の外面からの膜沸騰について、次の式を提案しています。

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

もし${\displaystyle {{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}}$、

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

有効放射係数、${\displaystyle {{h}_{rad}}}$次のように表現できます。

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

どこ${\displaystyle \varepsilon }$固体の放射率であり、${\displaystyle \sigma }$はシュテファン・ボルツマン定数です。

液滴と固体表面の間の蒸気領域における圧力場の式は、境界層モデルを用いた標準的な運動量方程式と連続方程式を用いて解くことができる。このモデルでは、解くのを簡略化するために、蒸気相内では線形温度分布と放物線状速度分布が仮定される。蒸気相内の熱伝達は伝導によるものと仮定される。これらの近似により、ナビエ・ストークス方程式を解いて圧力場を得ることができる。^{[ 12 ]}

ライデンフロスト温度は、特定の固体-液体ペアの特性です。液体がライデンフロスト現象を起こす固体表面の温度をライデンフロスト温度と呼びます。ライデンフロスト温度の計算には、流体の最小膜沸騰温度の計算が含まれます。Berenson ^{[ 13 ]}は、最小熱流束の議論から最小膜沸騰温度の関係式を得ました。上記の文献にある最小膜沸騰温度の式は非常に複雑ですが、その特徴は物理的な観点から理解できます。考慮すべき重要なパラメータの 1 つは表面張力です。表面張力が高い流体は核沸騰の開始により多くの熱流束を必要とするため、最小膜沸騰温度と表面張力の間に比例関係があることが予想されます。膜沸騰は核沸騰の後に発生するため、膜沸騰の最小温度は表面張力に比例するはずです。

Henry は、一時的な濡れとマイクロレイヤー蒸発を含むライデンフロスト現象のモデルを開発しました。^{[ 14 ]}ライデンフロスト現象は膜沸騰の特殊なケースであるため、ライデンフロスト温度は、使用される固体の特性を考慮した関係を介して、最小膜沸騰温度と関連付けられます。ライデンフロスト温度は流体の表面張力に直接関係はありませんが、膜沸騰温度を介して間接的に依存します。熱物性値が類似している流体の場合、表面張力が高い流体の方が通常、ライデンフロスト温度が高くなります。関連する現象は、パラフィンワックス液滴の凝固中に観察され、重力、粘度の増加、およびマッシュゾーンを通じた熱伝導の複合効果により、中央にくぼみのある特徴的なリンゴのような形状になります。^{[ 15 ]}

例えば、飽和水と銅の界面におけるライデンフロスト温度は257 ℃（495 °F）です。グリセロールや一般的なアルコール類の場合、表面張力値が低いため、ライデンフロスト温度は著しく低くなります（密度や粘度の違いも影響します）。  

2015年に、不揮発性物質も「反応性ライデンフロスト効果」を示すことが発見されました。これは、固体粒子が高温の表面上に浮遊し、不規則に飛び回る様子が観察された現象です。^{[ 16 ]}高速撮​​影により、高温研磨面上のセルロースの微粒子（約0.5 mm）について、反応性ライデンフロスト効果の詳細な特性評価が完了しました。セルロースは、表面温度の上昇に伴って熱伝達が増加し、溶融して滑らかな表面を濡らす短鎖オリゴマーに分解することが示されました。675 °C (1,247 °F)を超えると、セルロースは激しい泡立ちを伴う遷移沸騰を示し、熱伝達が減少することが観察されました。セルロース液滴の浮き上がり（右図参照）は、約750 °C (1,380 °F)を超えると発生し、熱伝達が劇的に減少することが観察されました。^{[ 16 ]}     

セルロースの多孔質表面（マクロ多孔質アルミナ）上での反応性ライデンフロスト効果の高速撮影では、反応性ライデンフロスト効果を抑制し、表面から粒子への全体的な熱伝達速度を高めることも示されました。新しい現象である「反応性ライデンフロスト（RL）効果」は、固体粒子の熱伝達の時定数と粒子の反応の時定数を関連付ける無次元量（φ _RL = τ _conv /τ _rxn）によって特徴付けられ、反応性ライデンフロスト効果は 10 ⁻¹ < φ _RL < 10 ^{+1で発生します。セルロースの反応性ライデンフロスト効果は、バイオマスから}バイオ燃料への変換、食品の準備と調理、タバコの使用など、炭水化物ポリマーを使用した多くの高温用途で発生します。^{[ 16 ]}

ライデンフロスト効果は、さまざまな有機液体を熱分解によってさまざまな生成物に変換することで、それらの化学変化を促進する手段としても利用されてきた。例としては、エタノール^{[ 17 ]}、ジエチルカーボネート^{[ 18 ]}、グリセロール^{[ 19 ]の分解などが挙げられる。}

ジュール・ヴェルヌの1876年の小説『ミハイル・ストロゴフ』では、主人公は熱い刃で失明するのを涙が蒸発することで救われる。^{[ 20 ]}

2009年のMythBustersシーズン7の最終回「Mini Myth Mayhem」では、チームはライデンフロスト効果を科学的根拠として、人が手を濡らして溶けた鉛に短時間浸しても怪我をしないことを実証した。^{[ 21 ]}

2014年のアニメ『アルドノア・ゼロ』第4話では、金属製の弾丸が極めて高温のプラズマに接触した際にライデンフロスト効果が発動し、弾丸が軌道を大きく逸れる様子が描かれている。弾丸の先端はほぼ瞬時に溶け、残りの部分を絶縁することで、飛行中に不規則な軌道変化が生じる。しかし、関係する物体の質量が通常とは異なるため、この現象をライデンフロスト効果のみで説明できるとは言い難い。

• 臨界熱流束
• 領域ベータのパラドックス

• ジャール・ウォーカーによる、その影響と実証に関するエッセイ（PDF）
• 米国オレゴン大学のハイナー・リンケ氏によるフィルム沸騰現象の高速動画、写真、解説を掲載したサイト。
• BBCニュースの「科学者たちが水を上り坂に流す」という記事は、コンピューターチップの冷却にライデンフロスト効果を利用することについて報じている。
• 「上り坂の水」 – ABC Catalystの記事
• 「ライデンフロスト迷路」 – バース大学の学部生、カーメン・チェンとマシュー・ガイ
• 「水が上り坂を流れるとき」 – バース大学の高科啓教授によるサイエンス・フライデー
• Jeffrey, Colin (2015年3月10日). 「凍結二酸化炭素で動くエンジンが火星探査ミッションの動力源になる可能性」 . Gizmag . 2015年3月10日閲覧.
• Carolyn Embach、ResearchGate: Johan Gottlob Leidenfrost、 De aquae communes nonnullis qualitatibus tractatus 、Duisburg on Rhine、1756の英語翻訳。(Carolyn SE Wares 別名 Carolyn Embach、翻訳者、1964)