ライデンフロスト効果

ライデンフロスト効果は、液体が、その沸点よりもかなり高温の別の物体の固体表面の近くにあると、断熱蒸気層を生成して液体が急速に沸騰するのを防ぐ物理現象です。この反発力により、液滴は表面に物理的に接触するのではなく、表面上に浮かびます。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、彼はこれを「一般的な水のいくつかの性質に関する小論文」で説明しました。

これは、調理中に熱いフライパンに水滴を散らしたときに最もよく見られます。フライパンの温度がライデンフロスト点（水の場合は約 193 °C (379 °F)）以上になると、水はフライパンの上を跳ね回り、水滴を冷たいフライパンに散らした場合よりも蒸発に時間がかかります。

この効果は、鍋が熱くなるにつれて、さまざまなタイミングで水滴を鍋に振りかけることで確認できます。最初、鍋の温度が 100 °C (212 °F) をわずかに下回ると、水は平らになり、ゆっくりと蒸発しますが、鍋の温度が 100 °C (212 °F) を大きく下回ると、水は液体のままです。鍋の温度が 100 °C (212 °F) を超えると、水滴が鍋に触れるとシューという音を立て、これらの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。鍋に触れると、水滴は小さな水の球に集まり、飛び回ります。鍋の温度が低いときよりもずっと長く続きます。この効果は、温度がはるかに高くなり、それ以上の水滴の蒸発が速すぎてこの効果を引き起こさなくなるまで続きます。

この効果は、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接触するとすぐに気化するために発生します。発生したガスは、そのすぐ上にある水滴の残りを浮かせ、液体の水と熱い鍋がそれ以上直接接触するのを防ぎます。蒸気は金属鍋よりも熱伝導率がはるかに低いため、鍋と水滴の間の熱伝達は大幅に遅くなります。これにより、水滴は、そのすぐ下のガス層の上を鍋の周りを滑ることができます。

ライデンフロスト効果が現れる温度を予測することは困難です。たとえ液滴の体積が同じであっても、ライデンフロスト点はまったく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します。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ますが、非常に複雑です。^[1]

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・フェアベアンによっても説明されており、ボイラー内などで熱い鉄の表面から水への熱伝達を大幅に減らす効果について言及されている。^{[2]ボイラー設計に関する2回の講義で、彼はピエール・イポリット・ブティニー (1798–1884) と}ロンドン大学キングス・カレッジのボーマン教授の研究を引用し、このことを研究した。168 °C (334 °F) でほぼ即座に蒸発した水滴は、202 °C (396 °F) で152秒間持続した。ボイラー火室の温度が低いと、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のこと。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だった。フェアベアンもこれを考慮し、フラッシュ蒸気ボイラーを検討していた可能性があるが、当時は技術的側面を克服できないと考えていた。

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も考えられます。^[3]

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ます。この場合、蒸気層が一度確立されると、冷却によって層が崩壊することはなく、核沸騰も発生しません。代わりに、表面が冷却されるまで層はゆっくりと緩和します。^[4]

異なる沸点を持つ異なる液体の液滴も、お互いに対してライデンフロスト効果を示し、反発します。^[5]

ライデンフロスト効果は、高感度のアンビエント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、浮遊する液滴は分子を放出せず、分子は液滴内に濃縮される。液滴が蒸発する最後の瞬間に、濃縮された分子はすべて短時間で放出され、それによって感度が向上する。^[6]

ライデンフロスト効果に基づく熱機関の試作が行われており、摩擦が極めて低いという利点がある。^[7]

この効果は、表面が室温であっても液体が極低温である場合にも適用され、液体窒素の液滴は露出した皮膚から無害に転がり落ちます。^[8]逆に、逆ライデンフロスト効果では、比較的温かい液体の液滴が液体窒素の浴槽上で浮遊します。^[9]

ライデンフロスト点は、安定した膜沸騰の開始を意味します。これは、沸騰曲線上で熱流束が最小で、表面が完全に蒸気層で覆われている点を表します。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行われます。1756 年に、ライデンフロストは、蒸気膜に支えられた水滴が熱い表面上を動き回りながらゆっくりと蒸発することを観察しました。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。

大きな水平プレートの最小熱流束は、ズーバーの式から導かれる。^[3]

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

ここで、特性は飽和温度で評価されます。中程度の圧力では、ほとんどの流体のズーバー定数は約 0.09 です。 ${\displaystyle C}$

^{熱伝達係数はブロムリーの式[3]}で近似できる。

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

ここで、はチューブの外径です。相関定数Cは、水平円筒および垂直プレートの場合は 0.62、球の場合は 0.67 です。蒸気特性はフィルム温度で評価されます。 ${\displaystyle {{D}_{o}}}$

水平表面上の安定した膜沸騰について、ベレンソンはブロムリーの式を修正して、次の式を導出した。^[10]

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

垂直管については、HsuとWestwaterは次の式を相関させている。^[10]

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

ここで、m はチューブの上端 における質量流量です。${\displaystyle l{{b}_{m}}/時}$

最小熱流束を超える過剰温度では、放射の寄与が顕著になり、過剰温度が高い場合は放射が支配的になります。したがって、総熱伝達係数は 2 つの組み合わせです。ブロムリーは、水平管の外表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、 ${\displaystyle {{h}_{rad}}}$

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

有効放射係数は次のように表される。 ${\displaystyle {{h}_{rad}}}$

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

ここで、は固体の放射率、はシュテファン・ボルツマン定数です。 ${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \sigma}$

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、液滴と固体表面の間の蒸気領域における圧力場の方程式を解くことができる。このモデルでは、解く際の簡略化のため、蒸気相内では線形温度プロファイルと放物線状速度プロファイルが想定されている。蒸気相内の熱伝達は伝導によるものと想定されている。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。 ^[11]

ライデンフロスト温度は、与えられた固体と液体のペアの特性です。固体表面の温度がこの温度を超えると液体がライデンフロスト現象を起こす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、流体の最低膜沸騰温度の計算が含まれます。Berenson ^{[12] は、}最小熱流束の議論から最低膜沸騰温度の関係を得ました。上記の参考文献に記載されている最低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大量の熱流束を必要とするため、最低膜沸騰温度と表面張力の間には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起こるため、膜沸騰の最低温度は表面張力に比例して依存するはずです。

ヘンリーは、過渡的濡れとミクロ層の蒸発を含むライデンフロスト現象のモデルを開発した。^[13]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、最小膜沸騰温度に関連付けられている。ライデンフロスト温度は流体の表面張力に直接関連しているわけではないが、膜沸騰温度を介して間接的にそれに依存している。同様の熱物理的特性を持つ流体の場合、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。

たとえば、飽和した水と銅の界面では、ライデンフロスト温度は 257 °C (495 °F) です。グリセロールや一般的なアルコールのライデンフロスト温度は、表面張力の値が低いため、大幅に低くなります (密度と粘度の違いも要因となります)。

2015 年には、非揮発性物質も「反応性ライデンフロスト効果」を示すことが発見され、固体粒子が高温表面上に浮かび、不規則に飛び回る様子が観察された。^[14]反応性ライデンフロスト効果の詳細な特性評価は、高速写真撮影によって、高温の研磨面上のセルロースの小粒子(約 0.5 mm) に対して行われた。セルロースは短鎖オリゴマーに分解し、これが溶融して滑らかな表面を濡らし、表面温度の上昇に伴う熱伝達の増加が見られた。675 °C (1,247 °F) を超えると、セルロースは遷移沸騰を示し、激しい泡立ちとそれに伴う熱伝達の減少が観察された。セルロース液滴のリフトオフ (右図) 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た。^[14]

多孔質表面（マクロポーラスアルミナ）上のセルロースの反応性ライデンフロスト効果の高速写真撮影も、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率を高めることが示されました。「反応性ライデンフロスト（RL）効果」という新しい現象は、固体粒子の熱伝達の時定数と粒子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、食品の調理や調理、タバコの使用など、炭水化物ポリマーの多くの高温用途で発生します。^[14]

ライデンフロスト効果は、熱分解によって様々な生成物に変換することで、様々な有機液体の化学変化を促進する手段としても使用されています。例としては、エタノール^[15]、ジエチルカーボネート^[16]、グリセロール^{[17]の分解が挙げられます。}

ジュール・ヴェルヌの1876年の小説『ミハエル・ストロゴフ』では、主人公は熱い刃物で失明するところを蒸発した涙によって救われる。^[18]

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。^[19]

• 臨界熱流束
• 領域ベータパラドックス

ウィキメディア・コモンズには、ライデンフロスト効果に関連するメディアがあります。

• Jearl Walker による効果とデモンストレーションに関するエッセイ (PDF)
• 米国オレゴン大学の Heiner Linke による膜沸騰の高速ビデオ、写真、説明が掲載されたサイト
• BBC ニュースによる「科学者が水を上流に流す」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のものです。
• 「上り坂の水」 – ABC Catalyst ストーリー
• 「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
• 「水が上流に流れるとき」 – バース大学教授の高階圭氏によるサイエンスフライデー
• ジェフリー、コリン (2015 年 3 月 10 日)。「凍った二酸化炭素で動くエンジンが火星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)