mayo 19, 2022

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Estudio: El efecto Leidenfrost ocurre en las tres fases del agua: sólido, líquido y vapor

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Video en cámara lenta de hielo hirviendo, un proyecto de investigación en el Laboratorio de interfaces y fluidos inspirados en la naturaleza de Virginia Tech.

Eche unas gotas de agua en una sartén muy caliente y chisporroteante y levitarán, deslizándose alrededor de la sartén con un abandono salvaje. Los físicos de Virginia Tech han descubierto que esto también se puede lograr colocando un disco de hielo delgado y plano sobre una superficie de aluminio caliente, según un estudio. nuevo papel publicado en la revista Physical Review Fluids. El problema: hay una temperatura crítica mucho más alta que debe alcanzarse antes de que el disco de hielo levite.

Como nosotros previamente reportadoEn 1756, un científico alemán llamado Johann Gottlob Leidenfrost reportado tu observación del insólito fenómeno. Normalmente, observó, el agua salpicada en una sartén muy caliente chisporrotea y se evapora muy rápidamente. Pero si la temperatura de la olla está muy por encima del punto de ebullición del agua, se formarán «gotas brillantes parecidas al mercurio» y se deslizarán por la superficie. Se llama «Efecto Leidenfrost» en tu honor.

Durante los próximos 250 años, los físicos han encontrado una explicación viable de por qué esto es así. Si la temperatura de la superficie es de al menos 400 grados Fahrenheit (muy por encima del punto de ebullición del agua), se forman capas de vapor de agua debajo de ellos, manteniéndolos levitados. El efecto Leidenfrost también funciona con otros líquidos, incluidos los aceites y el alcohol, pero la temperatura a la que se manifiesta será diferente.

El fenómeno sigue fascinando físicos Por ejemplo, en 2018, físicos franceses descubiertos que las gotas no caminan simplemente sobre un colchón de vapor; siempre y cuando no sean demasiado grandes, también se impulsan a sí mismos. Esto se debe a un desequilibrio en el flujo de fluido dentro de las gotas de Leidenfrost, actuando como un pequeño motor interno. Las gotas grandes mostraban un flujo equilibrado, pero a medida que las gotas se evaporaban, se hacían más pequeñas (alrededor de medio milímetro de diámetro) y más esféricas, se desarrollaba un desequilibrio de fuerzas. Esto hizo que las gotas rodaran como una rueda, ayudadas por una especie de efecto de «trinquete» de una pendiente descendente en la misma dirección en que fluía el fluido en la gota. Los físicos franceses llamaron a su descubrimiento la «rueda de Leidenfrost».

En 2019, un equipo internacional de científicos finalmente identificó la fuente del sonido de estallido que informó Leidenfrost. Los científicos encontrar algo Depende del tamaño de la gota. Las gotas más pequeñas se deslizarán de la superficie y se evaporarán, mientras que las gotas más grandes explotarán con ese crujido revelador. El culpable son las partículas contaminantes, presentes en casi todos los líquidos. Las gotas más grandes comenzarán con una mayor concentración de contaminantes, y esta concentración aumenta a medida que las gotas se encogen. Terminan en una concentración tan alta que las partículas forman lentamente una especie de capa alrededor de la gota. Este caparazón interfiere con el colchón de vapor que sostiene la gota en el aire y explota cuando golpea la superficie.

Y el año pasado, los científicos del MIT determinaron por qué las gotas se lanzan sobre una superficie aceitosa calentada 100 veces más rápido que el metal puro. En las condiciones adecuadas, se formó una fina capa fuera de cada gota, como un manto. A medida que la gota se calentaba, se empezaron a formar pequeñas burbujas de vapor de agua entre la gota y el aceite, y luego se alejaron. Las burbujas subsiguientes normalmente se formaron cerca de los mismos puntos, formando un solo rastro de vapor que sirvió para empujar la gota en una dirección preferida.

¿Pero se puede conseguir el efecto Leidenfrost con hielo? Eso es lo que el equipo de Virginia Tech se propuso averiguar. «Hay tantos artículos sobre la levitación líquida que queríamos hacer la pregunta sobre la levitación del hielo». dijo el coautor Jonathan Boreyko. “Comenzó como un proyecto de curiosidad. Lo que impulsó nuestra investigación fue la cuestión de si era posible o no tener un efecto Leidenfrost trifásico con sólido, líquido y vapor”.

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