Исследовательская работа «Эффект Лейденфроста» 8-9 класс.

1   Научно–практическая конференция  «Шаг в будущее» Секция: Естественные науки и современный мир Направление: физика и познание мира  Тема:«Эффект Лейденфроста» Автор: Лапердина Алина  Александровна,   ученица 9 класса МБОУ Досатуйской СОШ Научный руководитель:   Стрельникова Ольга Адьевна  учитель  физики и математики МБОУ Досатуйской СОШ Российская Федерация П. Досатуй 2 «Эффект Лейденфроста» Лапердина Алина Российская Федерация, Забайкальский край, п. Досатуй МБОУ Досатуйская СОШ, 9 класс Краткая аннотация Если капнуть воды на раскаленную пластину (сковороду или очень горячий утюг), то, казалось бы, капля должна быстро испариться (чем горячее, тем быстрее), но этого не наблюдается. Образовав маленький шарик, шипя и подпрыгивая, капля очень медленно превращается в пар. Как объяснить это явление? 3 «Эффект Лейденфроста» Лапердина Алина Российская Федерация, Забайкальский край, п. Досатуй МБОУ Досатуйская СОШ, 9 класс Аннотация Наверняка многим у себя на кухне приходилось видеть, как капли жидкости, попавшие на очень горячую сковороду, испаряются не сразу, а в течение минуты и даже дольше крутятся на ее поверхности (затем капля, разумеется, испаряется). Эта аномально долгая жизнь капли именуется эффектом Лейденфроста, в честь немецкого физика, описавшего это явление в 1756 году. Длительным существованием капля обязана тонкой прослойке из пара собственной жидкости, который выступает в качестве теплоизолирующего слоя, замедляя ее испарение.  Помимо того, что капля, благодаря «паровой подушке», существенно продлевает свою жизнь, она еще и левитирует над горячей поверхностью. В научной литературе левитирующие капли известны как капли Лейденфроста.  Цель: Выяснить,  почему  капли воды так быстро скатываются на раскалённой поверхности. Задачи:  ­ Изучить теорию эффекта Лейденфроста.             ­ Исследовать:               ­ как зависит время «жизни» капли воды от температуры;              ­ зависит ли движение капли воды от рельефа поверхности. ­Экспериментально получить точку Лейденфроста для воды. ­Экспериментально подтвердить теорию эффекта Лейденфроста. Методы исследования:              ­ Изучение специальной литературы; ­ Исследование данного эффекта. 4 «Эффект Лейденфроста» Лапердина Алина Российская Федерация, Забайкальский край, п. Досатуй МБОУ Досатуйская СОШ, 9 класс План исследований  Что такое эффект Лейденфроста?    Почему он проявляется? Где и как его использовать? Для  исследования потребовались: электроплита, шприц, вода, секундомер 5 «Эффект Лейденфроста» Лапердина Алина Российская Федерация, Забайкальский край, п. Досатуй МБОУ Досатуйская СОШ, 9 класс Введение Как вы думаете, может ли капля воды парить над поверхностью как волшебник в сказке? А ведь это вполне возможно, что и доказывает эффект Лейденфроста. Если нагреть электрическую конфорку выше 200 градусов Цельсия и капнуть на нее воду,  то можно видеть, как капли образуют сферы благодаря силам поверхностного  притяжения и начинают скатываться в разные стороны. Впервые это явление описал немецкий физик  Иоганн Готлоб Лейденфрост в 18 веке. Длительным существованием капля обязана тонкой  прослойке из пара собственной жидкости, который выступает в качестве  теплоизолирующего слоя, замедляя ее испарение. Помимо того, что капля, благодаря  «паровой подушке», существенно продлевает свою жизнь, она еще и левитирует над  горячей поверхностью. В научной литературе левитирующие,  то есть «танцующие» капли  известны как капли Лейденфроста.  Данное явление долгоживущих капель является проявлением поверхностного или  пленочного кипения и называется эффектом Лейденфроста. Вот, что пишет о данном эффекте Джерл Уокер (перевод с англ.): «Моя бабушка однажды показала, как пленочное кипение помогает определить,  достаточно ли разогрелась сковородка для блинов. После того как она немного нагрела пустую сковородку, она брызнула на нее несколько капель воды. Капли с шипением  испарились за несколько секунд. Их быстрое исчезновение показало ей, что сковорода  еще недостаточно горяча для теста. Нагрев сковороду сильнее, она повторила  проверку, брызнув еще воды. В этот раз капли свернулись в шарики и крутились на  металлической поверхности более минуты, перед тем, как исчезнуть. Теперь сковорода была достаточно горяча для блинного теста. Тот факт, что капля воды, нанесенная на металл, температура которого гораздо выше  температуры кипения воды, живет долго, был впервые описан еще в 1732 году, но 6 достаточно широко не исследовался до 1756 года, пока Иоганн Готлиб Лейденфрост не  опубликовал свой "Трактат о некоторых свойствах обычной воды". Из­за того, что работа  Лейденфроста не переводилась с латыни до 1965 года, она оказалась мало известной. Тем  не менее, сейчас именно его имя связывается с явлением долговременности жизни капли на горячей пластине. Лейденфрост делал опыты с железной ложкой, докрасна раскаленной в горне. Помещая в  ложку каплю воды, он измерял время ее жизни с помощью качающегося маятника. Он  отметил, что капля, казалось, всасывала свет и тепло ложки, оставляя на поверхности  пятно более тусклое, чем остальная часть ложки. Первая капля продержалась в ложке 30  секунд, вторая капля ­ только 10, последующие ­ лишь несколько секунд.  Лейденфрост  неправильно понял результаты своих опытов, потому что не осознал, что долгоживущие  капли на самом деле кипели. Это объясняется тем, что при температуре пластины ниже  точки Лейденфроста вода растекается по пластине и быстро отводит тепло от нее, что  обеспечивает полное испарение капли за несколько секунд. Когда температура равна или  выше точки Лейденфроста, нижняя часть капли, нанесенной на пластинку, почти мгновенно испаряется, и давление образовавшегося пара не позволяет остальной части капли  коснуться пластины. Слой пара постоянно пополняется за счет дополнительной воды,  испаряющейся с нижней поверхности, благодаря теплу от пластины, которое излучается и  проводится сквозь пар. Хотя толщина слоя менее 0.1 мм у наружной границы и около 0.2  мм в центре, он резко замедляет испарение капли. Таким образом, пар поддерживает и  защищает каплю в течение минуты или около того.  В 2006 году было обнаружено, что на поверхности со специальным рельефом капля  Лейденфроста способна совершать направленное движение. Коллектив ученых из Франции, проведя серию экспериментов, выяснил истинный механизм перемещения капли. 7 Фактически она представляет собой «корабль на воздушной подушке», источник тяговой  силы в котором — течение пара из теплоизолирующей прослойки.  Физический феномен, известный как эффект Лейденфроста, ежедневно можно наблюдать в домашних условиях и окружающем нас мире: o при приготовлении пищи( проверить достаточно ли раскалена сковорода); o исполнители разных трюков могут окунуть руку (смоченную водой) в раскалённый  свинец (t=400­700  градусов Цельсия); могут налить в рот жидкий азот "не обжигаясь",  несмотря на его крайне низкую температуру; o ходьба по горячим углям. Практическая часть Исследование   зависимости   времени   «жизни»   капли   воды   от   температуры поверхности:   Увеличивая температуру поверхности, я аккуратно роняла каплю воды из шприца,  расположенного точно над поверхностью (шприц дал мне возможность получать капли  одинакового размера). Уронив каплю, я засекала время ее жизни на пластине. Эксперимент  проводился 4 раза. Затем я построила график зависимости времени жизни капель от  температуры поверхности. У графика есть интересный пик. При определённой температуре поверхности каждая капля растекалась по поверхности тонким слоем и быстро испарялась. При очень высоких температурах капли сворачивались в одну большую, и время их жизни  составило около 4­х минут. Результат исследования представлен на графике.   Правила по технике безопасности (Приложение 1).   80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 100 150 200 8 Исследование зависимости движения капель воды от рельефа поверхности:  На электрическую конфорку, нагретую до  температуры 150­200°C, я аккуратно роняла  капли воды из шприца. Правила по технике  безопасности (Приложение 1). специальным рельефом капля Лейденфроста способна совершать направленное движение.  Вывод: в результате исследования было  обнаружено, что на поверхности со 9 Экспериментальное получение точки Лейденфроста для воды:  При температурах 50°C, 100°C,  150°C  и 200°C я аккуратно роняла капли воды из шприца, расположенного точно над поверхностью. Уронив каплю, я наблюдала за поведением  капель и временем их "жизни". Эксперимент с каждой температурой проводился 4 раза.  Результаты представлены в таблице. Правила по технике безопасности (Приложение 1). Таблица экспериментов для определения точки Лейденфроста для воды № эксперимента Температура в °C Поведение капель воды № 1 № 2 № 3 № 4 № 5 № 6 № 7 № 8 № 9 № 10 № 11 № 12 № 13 № 14 № 15 № 16 № 17 № 18 50 100 150 200 Капли воды испарялись в течение 2­8 секунд Капли воды испарялись в течение 7­12  секунд Капли приняли форму шара и долгое время  "танцуют"(левитируют); испаряются в  течении 50­60 секунд Капли воды приняли форму шара и  левитируют на раскалённой поверхности  более минуты (67­71 сек) Вывод: пользуясь Интернет­ресурсами, я выяснила, что точка Лейденфроста для воды  колеблется от 100 до 200 °C. Но с помощью данных экспериментов можно дать более  точную температуру. Посчитав среднее арифметическое, температура точки  Лейденфроста у воды в моих экспериментах  составила 175 °C. 10 Практическая проверка теории эффекта Лейденфроста:  Для исследования данной теории использовались: o ёмкость с холодной водой (температурой 2 °C) o ёмкость с кипящей водой (температурой 100 °C) Ход эксперимента:   Руку опускаем в холодную воду  Затем мгновенно помещаем в кипящую воду; время в течении которого рука  находилась в кипящей воде не превышало 1­2 секунд. Вывод: время нахождения руки в кипящей воде можно увеличивать за счёт  увеличения защитного слоя холодной воды.  Правила по технике безопасности (Приложение 1). 11 Выводы:  В будущем эффект Лейденфроста может быть использован для снижения  сопротивления воды у подводных лодок и кораблей. Он может использоваться в  морских грузоперевозках, способствуя значительному сокращению расхода топлива — а значит, удешевлению процесса и снижению вредных выбросов. Зная теорию эффекта Лейденфроста, любой человек может попробовать себя в   роли исполнителя опасных трюков Заключение. o Эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно   более   горячим,   чем точка   кипения этой   жидкости,   создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого испарения.  o Теоретическая подготовка и анализ полученных результатов сыграли  большую роль в повышении моей образовательной подготовки. 12 Список литературы 1. Статья «Кипение и эффект Лейденфроста». Автор: Джерл Уокер. Государственный  Университет Кливленда ) 2. Статья  журнала Квант: М. Голубев, А. Кагаленко/ Капля на горячей поверхности,  стр 28­29 3. Шилов В. Ф. Техника безопасности в кабинете физики.­ М.: "Школьная Пресса", 2002.  ( Библиотека журнала "Физика в школе". Вып. 21, страница 51. Интернет – ресурсы  1. http://virtuallab.by/publ/video_opyty/parovaja_podushka/1­1­0­152 2. http://fishki.net/1209033­jeffekt­lejdenfrosta­v­dejstvii.html 3. http://www.tvoyrebenok.ru/levitirujushhaja­kaplya­effect­leidenfrosta.shtml  4. http://www.youtube.com/watch?v=gZ­uaw8Gttw 5. http://kvant.mccme.ru/1977/12/kaplya_na_goryachej_poverhnost.htm 13 14 Приложение 1 Техника безопасности с электронагревательными приборами. 1. Электронагревательные приборы следует включать только в сеть указанного в их паспорте напряжения, тщательно следя при этом за исправностью соединительных приборов и плотностью контактов. 2. Запрещается переносить электронагревательные приборы во включенном состоянии. 3. Перед эксплуатацией нагревательных приборов нужно убрать с рабочего места легковоспламеняющиеся материалы и горючие жидкости.  4. Не оставлять  без присмотра нагревательные приборы. 5. При наблюдение эксперимента между раскалённой поверхностью и глазами наблюдателя расстояние должно быть не менее 30 см.  15