Wanneer je een druppel water op een gloeiende plaat laat vallen dan zal deze druppel
niet gelijk verdampen, maar minutenlang als een hovercraft over de plaat blijven zweven:
Waar komt de naam "Leidenfrost" vandaan?
Het effect van een zwevende druppel op een gloeiende plaat werd voor het eerst
in 1732 beschreven door de Nederlandse onderzoeker
Hermann Boerhaave (1668-1738)
in "Elementa Chemiae".
Hij verbaasde zich erover dat een druppel alcohol niet in brand vloog, maar
over de plaat bleef zweven toen hij deze op de gloeiende plaat legde.
Een grondige studie ontbrak echter tot
Johann Gottlob Leidenfrost (1715-1794),
Professor aan de Universität Duisburg (D), in 1756
zijn "De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus" (Een Verhandeling Van
Enkele Eigenschappen van Gewoon Water) publiceerde:
De "Tractatus" is een uitgebreide studie in het Latijn van 175 pagina's,
waarvan 39 pagina's het experiment van de druppel op een gloeiende
plaat beschrijven. Dit werk leidde er toe dat Johann Gottlob Leidenfrost de naamgever
van het effect werd.
In de sectie getiteld "De Fixitate Aquae Diversa In Igne"
(Over de Fixatie van Water in Afwisselend Vuur)
beschrijft Leidenfrost hoe hij de experimenten uitvoerde:
Hij verhitte een ijzeren lepel ("gepolijst en zonder roest") tot deze roodgloeiend
was en legde er vervolgens voorzichtig een druppel water op.
De overlevingstijd van de druppel meette hij met een pendulum en na
het volledig verdampen van de eerste druppel legde hij er direct weer
eentje op.
Tot zijn verbazing merkte Leidenfrost dat de overlevingstijd van de
druppels minder werd naar mate de lepel afkoelde en hij verwoordde het
als volgt:
"Het water absorbeert het licht en vuur van het
gloeiende ijzer. Wanneer de druppel verdwijnt, blijft er
een klein deeltje van aarde over in de lepel."
In deze observatie van Leidenfrost komt duidelijk het alchemische gedachtengoed van die tijd naar voren.
Volgens de alchemie is de wereld opgebouwd uit de 4 elementen water, aarde, lucht
en vuur, die via verschillende methodes in elkaar om te zetten zijn. Leidenfrost
verwierp ook de suggestie van Boerhaave dat het overgebleven "deeltje van aarde"
stof uit de lucht moest zijn, want hij was er van overtuigd dat in zijn experiment
water in aarde werd omgezet door middel van vuur. Ten tijde van Leidenfrost
heerste nog de aanpak volgens Aristoteles, maar die werd langzaam maar zeker
verdrongen door de meer experimentele verkenning in de wetenschap zoals we die
nu kennen.
Hoe kan die druppel blijven zweven?
Op het moment dat de druppel de hete plaat raakt, verdampt meteen
de onderste laag van de druppel.
Deze damplaag vormt als het ware een kussentje voor de druppel en voorkomt
dat de druppel in aanraking komt met de plaat. Het kussentje kan blijven
bestaan doordat het continu wordt aangevuld met waterdamp uit de druppel.
Op deze manier is er ook geen direct warmte
transport mogelijk van de hete plaat naar de druppel.
Indirect warmte transport via de lucht is wel mogelijk. Waterdamp is echter
een slechte warmtegeleider, waardoor de druppel slechts langzaam zal
verdampen. Zo is de Leidenfrost druppel in staat om minutenlang over
de plaat te zweven.
Het gaslaagje waar de druppel als een hovercraft op blijft zweven is
trouwens slechts 0.1mm dik bij de rand en 0.2mm in het midden van de druppel.
John Tyndall (1820-1893),
Professor aan de Royal Institution in London,
voerde Leidenfrost effect experimenten uit met een gloeidraad achter de zwevende druppel.
Tyndall kon onder de druppel de gloeidraad zien en zo bevestigde hij
het vermoeden dat er zich een dunne damplaag onder de druppel bevond,
waarop de druppel kon blijven zweven.
Hoe heet moet de gloeiende plaat zijn?
Om het Leidenfrost effect met een druppel water te zien, moet de plaat heter dan
de Leidenfrost temperatuur voor water zijn: 220 graden Celsius.
Dit is de temperatuur waarvoor de overlevingstijd (zie onderstaand figuur) op de gloeiende plaat
het langste is en onder de gunstigste omstandigheden is dit makkelijk 7 minuten!
-110 graden Celsius: De gaslaag bestaat nauwelijks, zodat
de waterdruppel zich over de plaat verspreidt, aan
de kook wordt gebracht en snel verdampt:
-150 graden Celsius: Het gasvormige kussentje kan de druppel
nog steeds niet laten zweven, zodat het
water direct verdampt wanneer het in aanraking komt met de plaat:
-220 graden Celsius: Dit is de Leidenfrost temperatuur voor water
en dan zorgt het kussentje van gas er voor dat de druppel de plaat
niet raakt. De druppel blijft het langste over de hete plaat zweven
bij deze temperatuur:
-300 graden Celsius: De overlevingstijd is nog steeds lang maar iets
korter dan voor de Leidenfrost temperatuur door het iets hogere warmte
transport door het gaslaagje van de hete plaat naar de druppel, zie
ook de overlevingstijd als functie van de plaattemperatuur in de figuur hier boven.
-350 graden Celsius: Bij deze temperatuur blijft de Leidenfrost
druppel nog altijd lang over de plaat zweven en daarnaast is er een
extra fenomeen waar te nemen. De druppel gaat namelijk
snelle oscillaties vertonen wanneer deze tijdens het verdampingsproces
een bepaalde grootte (ca. 1-2 cm in diameter) heeft bereikt en vanwege de
vorm van de oscillerende druppels zijn ze tot "Leidenfrost sterren" gedoopt.
Hieronder zijn enkele voorbeelden van zulke Leidenfrost sterren te zien, die
zijn opgenomen met een hogesnelheidscamera die typisch 1000 beeldjes per
seconde heeft opgenomen:
Hoe deze snelle oscillaties vanuit een stationaire Leidenfrost druppel
ontstaan is (nog) niet precies bekend, maar een
mogelijke verklaring is de volgende:
Het gas onder de druppel stroomt constant naar de zijkanten weg en bij deze
hoge temperatuur gebeurt dat op een dusdanig heftige manier dat de
druppel als het ware met vele frequenties wordt aangeslagen. Wanneer de
waterdruppel een grootte heeft bereikt waarbij zo'n frequentie perfect
op de omtrek past, dan zal de druppel deze frequentie gaan vertonen als
oscillatie.
Vind je het Leidenfrost effect alleen bij water?
Bij alle (niet snel verdampende) vloeistoffen kun je het Leidenfrost
effect waarnemen, waarbij de Leidenfrost temperatuur altijd (ver) boven het kookpunt
van de vloeistof ligt.
Wanneer je bijvoorbeeld vloeibare stikstof over
de grond gooit dan zie je de afzonderlijke druppeltjes zweven,
net als de waterdruppel dat op een gloeiende plaat deed.
De kamertemperatuur van de grond "voelt" als een hete plaat
voor de vloeibare stikstof dat een kookpunt van -196
graden Celsius (77 graden Kelvin) heeft.
Dit gedrag is universeel zo lang de vloeistof maar niet te
snel verdampt.
Zijn er toepassingen?
-Zonder het wellicht te weten, maak je in het dagelijks leven gebruik van het
Leidenfrost effect wanneer je een kaars uitdrukt met je vingers nadat je deze
even nat hebt gemaakt. Als je je vingers vergeet nat te maken dan merkte je
waarschijnlijk heel duidelijk dat het beschermende Leidenfrost effect niet zijn
werk deed:
-In de keuken kun je het Leidenfrost effect ook waarnemen wanneer je een
druppel water in een hete pan gooit. Professionele koks gebruiken dit effect vaak
om te checken of de pan al heet genoeg is.
-In de industrie en wetenschap moet er overal waar vloeistof in aanraking komt
met hete oppervlakken rekening gehouden worden met het Leidenfrost effect, zoals bijvoorbeeld
de verbrandingsmotor in je auto. In vele gebieden in de wetenschap moet dit fenomeen
meegenomen worden, bijvoorbeeld bij lage temperatuur supergeleiding, astronomie,
massa spectroscopie en bij het onder controle houden van de temperatuur van electronische apparaten.
-Het Leidenfrost effect kun je ook gebruiken om te stoffen, tenminste wanneer je
een gladde vloer hebt en geen tapijt. Gooi daarvoor wat vloeibare stikstof over de
grond en de zo gevormde zwevende druppels zullen onderweg het stof verzamelen. Vervolgens
hoef je alleen maar het stof bij de plinten op te vegen, dat zich daar verzameld
heeft na het verdampen van de stikstof!
-Vroeger kon je het Leidenfrost effect ook waarnemen bij de smid wanneer deze
het gloeiend hete ijzer koelde in een bak met water. Een vergelijkbaar effect kun je
ook in de natuur zien als lava de zee in stroomt, waarbij druppels zeewater op
het gloeiende lava blijven dansen.
-Het Leidenfrost effect kun je ook tegenkomen in gevaarlijke demonstraties, zoals het
gorgelen met vloeibare stikstof (-196 graden Celsius).
Jearl Walker
durft het zelfs aan om zijn natgemaakte hand in
gesmolten lood (400 graden Celsius) te steken zonder te verbranden. Dat is
wat je noemt vertrouwen hebben in de wetenschap!
Over hete kolen lopen: Een druppel op een gloeiende plaat?
Het Leidenfrost effect wordt vaak in verband gebracht met het
lopen over hete kolen.
Het is zeker een van de factoren die voorkomen dat je heldenmoed niet met blaren
wordt beloond, maar er spelen verschillende effecten een rol: -Je lichaam bestaat voor een groot gedeelte uit water dat
een hoge warmte capaciteit heeft (4.18 kJ/K*kg), terwijl houtskool
juist een hele lage heeft. Daardoor zal de temperatuur van je
voet aanzienlijk minder veranderen dan de temperatuur van de kolen. -Daarbij komt nog eens dat water een goede warmte geleider is en houtskool
een slechte, plus het feit dat de warmte snel afgevoerd en verspreid wordt
door het bloed in je voeten. -Een andere eigenschap van hete kolen is dat wanneer de temperatuur onder
de ontbrandingstemperatuur zakt en dus ophoudt met branden,
de kolen geen nieuwe warmte meer kunnen genereren. -Vaak worden de hete kolen bedekt met as dat een nog
slechtere warmte geleider is dan brandend houtskool. -De kolen vormen een zeer onregelmatig oppervlak, waardoor slechts een klein
gedeelte van je voet ermee in contact is. -Vuurlopers blijven nooit al te lang op de hete kolen en ze blijven in
beweging. -Tenslotte speelt het Leidenfrost effect een rol, want de mensen lopen
vaak eerst door een natgemaakt grasveldje alvorens de hete kolen te trotseren
en de zweet productie gaat meestal ook aanmerkelijk omhoog door angst...
When you deposit a drop of water on a sufficiently hot plate, it won´t vaporize
instantly but it will hover over the plate for minutes instead:
Where does the name "Leidenfrost" come from?
The effect of a drop floating on a hot plate was first reported by
the Dutch researcher Hermann Boerhaave (1668-1738)
in his "Elementa Chemiae" of 1732.
He was surprised to observe that a drop of alcohol deposited on the hot plate did not ignite, but
started hovering over the plate instead.
The effect was not investigated thoroughly until
Johann Gottlob Leidenfrost (1715-1794),
Professor at the University of Duisburg (Germany), published
"De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus"
(A Tract About Some Qualities of Common Water) in 1756:
The "Tractatus" is a very detailed study of 175 pages in Latin,
39 of them deal with the experiment we now refer to as the "Leidenfrost effect"
experiments of a waterdrop on a hot plate.
In the section "De Fixitate Aquae Diversa In Igne"
(On the Fixation of Water in Diverse Fire)
Leidenfrost describes the experiment:
He performed the experiments with an iron spoon ("well polished and without rust")
heated red-hot in a fireplace and carefully put a drop of water
into the spoon and timed (with a pendulum) how long the
drop survived. On the spot where the drop had been, the spoon turned
dull, but the surroundings were still red-hot.
After depositing the first drop, he noticed the survival time of the next drops
decreased rapidly and he wrote down:
"...as if the matter of light and fire from the glowing iron
suddenly was snatched into the water. (..)
it finishes its existence, and in the spoon it leaves a
smal particle of earth."
Leidenfrost's observation of the "particle of earth" and the title of the section
"On the Fixation of Water in Diverse Fire" fit the alchemical conception of his era.
According to this alchemical conception the World is made of the 4 elements
water, earth, air and fire, which by various means can be transformed into
one antother. Leidenfrost therefore dismisses Boerhaave's suggestion that the
dust, inevitably blowing around in the chemistry lab, gets into the water. He
was convinced of the alchemical fixation of water into earth by the use of fire.
This essentially was because he was at a point in time when the still prevalent
Aristotlean approach was slowly, but surely, giving way to experimental exploration in science.
How can the drop survive?
The bottom layer of the drop is immediately vaporized at the moment of
impacts on the hot plate. This vaporlayer forms a cushion
for the droplet and prevents it from touching the hot surface. The cushion
continues to exist, because it is constantly refuelled with water vapor from the drop.
In this way no heat transfer can take place directly from the hot plate to the drop.
Indirectly there is still heat transfer possible through the vaporlayer, but water
vapor is a poor conductor. So just a little heat can be transferred indirectly,
which explains the long survival of the water droplet on a very hot surface.
The drop is floating over the plate like a hovercraft on a vaporlayer which is only
0.1mm thick at the edge and 0.2mm in the middle of the droplet.
John Tyndall (1820-1893),
Professor at the Royal Institution in London, performed the Leidenfrost experiments with
a glowing filament behind the floating drop. He was able to see the light of the
filament through the vapor layer and thereby confirmed the presence of a thin
vapor layer beneath the Leidenfrost drop keeping it afloat.
How hot does the plate need to be?
To observe the Leidenfrost effect with water, the plate needs to be hotter than
the Leidenfrost temperature for water: 220 degrees Celsius.
This corresponds to the temperature for which the drop survives longest on
the hot plate (see figure below) and for the best conditions this can
easily beat 7 minutes!
-110 degrees Celsius: The vapor layer hardly exists, which
makes the waterdrop spread over the plate, start to boil and quickly vaporizes:
-150 degrees Celsius: The vapor cushion still can not support
the drop, therefore the waterdrop will vaporize instantly at the moment
of impact with the plate:
-220 degrees Celsius: At the Leidenfrost temperature for water the
cushion of vapor prevents the drop from touching the hot plate. The droplet
hovers over the plate for the longest possible time at this temperature:
-300 degrees Celsius: The survivaltime is still long, but a little shorter
than for the Leidenfrost temperature due to the slightly increased heat transport
throught the vapor layer from the hot plate to the drop (see the survivaltime
as a function of the plate temperature in the figure above).
-350 degrees Celsius: At this temperature the Leidenfrost drop keeps
on hovering over the plate for a long time, but a new phenomenon is observed.
The drop shows rapid oscillations when it reaches
a certain size (diameter of 1-2cm) during the evaporation process. Because of the
shape of the oscillating drops they have been named "Leidenfrost stars".
Below you can see some examples of these Leidenfrost stars recorded using a
highspeed camera with a typical framerate of 1000 frames per second:
How these oscillations are triggered from a stationary Leidenfrost drop is (yet)
unknown, but this is a possible explanation:
The vapor is constantly rushing out to the sides of the drop and this happens
so violently at high temperatures that the drop is excited by a large range of frequencies.
At the moment the drop has reached a certain size, which nicely fits one
of the frequencies, the drop will display this frequency as an oscillation mode.
Can one only observe the Leidenfrost effect with water?
For all (not very volatile) liquids the Leidenfrost effect can be observed
and in all cases the Leidenfrost temperature is always located (far) above the boiling
point of the liquid.
When you throw some liquid nitrogen on the floor for example, you can
see the individual drops hovering over the ground similar to
the motion of the waterdrop on a hot plate. The floor is at room temperature
and "feels" like a hot plate for the liquid nitrogen with a boiling point
of -196 degrees Celsius (77 Kelvin). This behavior is universal as long as
the liquid is not very volatile.
What are the applications?
-Without knowing you may be applying the Leidenfrost effect in everyday life when
putting out a candle with your fingers after moistening them. When you mistakenly forget
to wet your fingers you are soon reminded of the lack of the protective Leidenfrost
effect:
-The Leidenfrost effect can also be observed in the kitchen when you drop some
water in a hot pan. Professional cooks even use it to check whether the pan is hot enough
or not.
-The Leidenfrost effect has to be taken into account everywhere in industry and science
where a liquid is touching a hot surface, like in the combustion engine of your car.
Many fields in science have to reckon with the effect, such as Cryogenics, Astrophysics,
Mass Spectroscopy and the temperature control of electronic devices.
-Dusting can be a lot more fun when you make use of the Leidenfrost effect, but
you got to have a smooth floor and no carpet. Throw some liquid nitrogen over the
floor and the drops will hover over it collecting dust in the meantime.
All you have to do is collect all the dust located in the corners of your room,
where the evaporated nitrogen has deposited it!
-In earlier times anyone who worked at the blacksmith's forge was aware of the
effect when cooling hot iron in the trough. A similar effect can be observed
in nature as lava pours into the sea making large drops of
seawater dance on the molten lava.
-The Leidenfrost phenomenon can be encountered in dangerous demonstrations, like
gargling with liquid nitrogen (-196 degrees Celsius).
Jearl Walker
even dares to plunge his moistened hand into a pan with molten lead
(400 degrees Celsius) without getting burnt. He surely has faith in science!
Walking on hot coals: A drop on a hot plate?
The Leidenfrost effect is often associated with
walking over hot coals.
It surely is one of the factors preventing your foot from burning,
but many factors play a role: -Your body consists for a large portion of water with
a high heat capacity (4.18 kJ/K*kg), whereas coals have a very low heat
capacity. Therefore the foot's temperature will change considerably less than
the temperature of the coals. -Water also is a good heat conductor and charcoal a very poor one,
and on top of that, the heat is carried away and spread by the blood in
your foot. -Another beneficial property of hot coals is that when they cool down below
the flash point, they stop burning and no new heat is generated. -The coals are often covered with ash, which is even a poorer heat conductor
than burning charcoal. -The coals form a very uneven surface and as a result the actual
surface area of your foot touching the coals is very small. -Firewalkers never spend a long time on the coals and they keep moving. -Finally the Leidenfrost effect plays its role, since the firewalkers
often have to walk through a moistened grass field before defying the hot coals
and the sweat production also rises drastically because of fear...
For the English version click here!
