אפקט ליידנפרוסט

אפקט ליידנפרוסט (באנגלית: Leidenfrost Effect) הוא תופעה פיזיקלית, אשר מתרחשת כאשר נוזל בא במגע עם משטח (לרוב מוצק, אך יכול להיות גם נוזלי) חם מאוד ביחס לטמפרטורת הרתיחה שלו. כאשר התופעה מתרחשת, מתחת לטיפת הנוזל נוצרת שכבת אד מבודדת אשר מגנה עליה מפני חום המשטח ומאריכה בעשרות שניות את זמן החיים של הטיפה עד לרתיחה. הטיפה מרחפת על פני שכבת האד, מה שמאפשר לה לנוע על פני המשטח כמעט ללא חיכוך. קיים גם אפקט ליידנפרוסט הפוך, כאשר חפץ חלק חם מונח בתוך נוזל קר. ניתן לראות את האפקט בקלות במטבח, כאשר טיפות מים המותזות על מחבת בטמפרטורה גבוהה מספיק (בין 200 ל-300 מעלות צלזיוס, תלוי בחומר ממנו עשויה המחבת) ירקדו על פני המחבת למשך זמן מה עד שיתאדו. ניתן גם לראות אותו כאשר חנקן נוזלי או קרח יבש (אשר מבצע המראה) באים במגע עם משטח בטמפרטורת החדר. התיאור המודרני הראשון של האפקט נכתב בשנת 1732 על ידי המדען ההולנדי הרמן בורהאאב(אנ') מהעיר ליידן אשר הבחין כיצד אלכוהול הנשפך על גבי משטח, במקום להתלקח, נהפך ל"טיפה מבריקה דמוית כספית". עם זאת, האפקט קרוי על שם המדען הגרמני יוהאן גוטלוב ליידנפרוסט אשר תיאר בהרחבה את התופעה בשנת 1756. אף על פי שאפקט ליינדפרוסט נחקר רבות בעבר, שאלות רבות לגבי התרחשותו עדיין פתוחות ולא קיימת דרך תאורטית מקובלת לחזות את טמפרטורת ליידנפרוסט מעליה האפקט מתרחש. על פי מרבית המחקרים, נראה שככל שהדיפוזיביות התרמית(אנ') של המשטח גבוהה יותר וככל שהוא חלק יותר, כך טמפרטורת ליידנפרוסט קרובה יותר לטמפרטורת הרתיחה של הנוזל. תלות זו היא צפויה, שכן נצפה שככל שהולכת החום לטיפה מהירה יותר כך שכבת האד תיווצר ותתקיים יותר בקלות וכן שבליטות במשטח יפריעו ליציבות השכבה. באמצעות משטח הידרופובי ניתן להוריד את טמפרטורת ליידנפרוסט קרוב מאוד לטמפרטורת הרתיחה, ובאמצעות משטח הידרופילי או מחוספס ניתן להעלות אותה. טיפת ליידנפרוסט, המרחפת על פני אד, נמצאת בסיטואציה לא מרטיבה. לכן (כפי שניתן לראות תאורטית מקשר יאנג), טיפות קטנות יהוו בקירוב כדור המשיק למישור המשטח ואילו טיפות גדולות יותר ישוטחו על ידי כוח הכבידה (גם טיפות גדולות ישוטחו מעט סביב נקודת המגע). המעבר בין שני המצבים יתרחש כאשר האנרגיה הכבידתית של כדור נעשית גדולה מאנרגיית מתח הפנים שלו, מה שמתרחש כאשר רדיוס הטיפה קטן מהאורך הקפילרי(אנ'): l c = γ ρ g {\displaystyle l_{c}={\sqrt {\frac {\gamma }{\rho g}}}} כאשר g {\displaystyle g} תאוצת הכבידה, γ {\displaystyle {\gamma }} מתח הפנים, ρ {\displaystyle \rho } צפיפות הנוזל. כאשר הטיפה שטוחה, עובייה יהיה פי שניים מהאורך הקפילרי. למעשה, גם הטיפות הגדולות לא יהיו שטוחות לחלוטין שכן האד החם יוצר כיס בתוך הטיפה (כפי שניתן לראות באיור). בטיפות גדולות במיוחד כיס זה עשוי להפוך בלתי יציב, לגדול וליצור "ערובה" של גז הבולטת מעל הטיפה, עד אשר תתפוצץ. לאחר הפיצוץ, הטיפה תיקח צורה זמנית של טורוס אשר יתכנס חזרה לטיפה. בטיפות גדולות עוד יותר, מסדר גודל של סנטימטרים שלמים, ייווצרו אף כמה ערובות שכאלה. חישובים אלה נכונים עבור טיפה סטטית, אך למעשה גם הנוזל וגם הגז נעים. מלבד התנועה המרחבית של הטיפה מתקיימים בתוכה זרמים קונבקטיביים (בעקבות משיכת הגז והפרשי טמפרטורה בתוך הטיפה), וכן הגז בורח הצידה בעקבות לחץ הטיפה. אפקטים אלו קטנים ביחס לאפקטים הקלאסיים. באפקט ליידנפרוסט הטיפה ממלאת תפקיד כפול וייחודי - היא גם מייצרת את הגז וגם מרחפת על פניו. ככל שהטמפרטורה תעלה, כך שכבת האד תיווצר יותר בקלות אך שכבה עבה יותר תקשה על מעבר חום לטיפה. בפועל, בעין נראה שאורך החיים של טיפת ליידנפרוסט יעלה במהרה כתלות בטמפרטורה עד נקודה מסוימת ממנה הוא יתחיל לרדת. תחתית הטיפה נמצאת בטמפרטורת רתיחה. באמצעות נוסחאות הולכת חום והנחה כי הגז הבורח מהטיפה מקיים זרם פואזיי, ניתן למצוא את עובי השכבה במצב סטציונרי (קצב ההתאדות שווה לקצב פליטת הגז): h ∼ R κ Δ T η v L ρ v ρ g l c {\displaystyle h\sim {\sqrt {R{\sqrt {\frac {\kappa \Delta T\eta _{v}}{L\rho _{v}\rho gl_{c}}}}}}} כאשר κ {\displaystyle \kappa } מוליכות החום, Δ T {\displaystyle \Delta T} ההפרש בין טמפרטורת המשטח לטמפרטורת הרתיחה, η v {\displaystyle \eta _{v}} צמיגות האד, L {\displaystyle L} החום הכמוס, ρ v {\displaystyle \rho _{v}} צפיפות האד, R {\displaystyle R} רדיוס הטיפה. בהצבת גדלים נפוצים לפרמטרים, מתקבל שעבור טיפה ברדיוס כמה מילימטרים עובי שכבת הגז הוא בערך 100 מיקרומטרים. ניתן להציב בחזרה במשוואת הולכת החום ולקבל את קצב איבוד המסה של הטיפה M ˙ ∼ κ Δ T h L R 2 {\displaystyle {\dot {M}}\sim {\frac {\kappa \Delta T}{hL}}R^{2}} עבור אותם פרמטרים מהחישוב הקודם, מתקבל כי קצב האידוי הוא בערך מיליגרם לשנייה וכי זמן החיים הוא בסדר גודל מאה שניות. ניתן כך לחשב גם את מהירות הגז הנפלט. למעשה, ההתנהגות האמיתית מסובכת יותר שכן רדיוס הטיפה (ועל כן גם עובי שכבת באד) משתנה ככל שהמסה יורדת. ניתן להציב בנוסחה לקצב ההתאדות את היחס בין הרדיוס לבין המסה ולפתור את המשוואה הדיפרנציאלית המתקבלת. בנוסף, עבור טיפות קטנות מתרחשת התאדות משמעותית על כל פני הטיפה, לא רק בתחתית שלה. חוסר המגע של טיפת ליידנפרוסט עם המשטח מייצרת אפקטים אשר נצפו גם במצבים סופרהידרופוביים. טיפות אלו נעות כאמור כמעט ללא חיכוך והן מקפצות כאשר הן פוגעות במשטח. ישנם שני גורמי חיכוך עיקריים עבור טיפת ליידנפרוסט. הראשון הוא חיכוך פנימי עקב צמיגות הגז הנפלט, והשני הוא חיכוך עם האוויר החיצוני. ניתן לחשב ולראות כי האפקט של הסוג הראשון הוא זניח ביותר, בסדר גודל של 0.1% ממשקל הטיפה. החיכוך עם האוויר הוא המשמעותי יותר, פי 10 מהחיכוך הפנימי - עדיין רק 1% ממשקל הטיפה אך מספיק כדי לגרום לטיפה לעצור אחרי מעבר של כמה מטרים. כאשר כדור חם נופל בתוך נוזל קר, אפקט ליידנפרוסט ההפוך, חוסר החיכוך יכול לקצר פי כמה את זמן הנפילה. אפקט ליידנפרוסט לא רק מפחית חיכוך בתנועה קיימת, ניתן אף לנצל אותו על מנת לייצר הנעה עצמית של הטיפה. באמצעות משטח משונן, ניתן ליצור אסימטריה בשכבת הגז כך שהגז ייפלט בכיוון אחד ויניע את הטיפה בכיוון האחר במהירות של עשרות סנטימטרים בשנייה. הבנה של אפקט ליידנפרוסט חיונית עבור מערכות קירור, שכן הוא מונע מעבר אנרגיה ומפחית דרסטית את יעילות הקירור. הדבר חשוב ביותר עבור קירור מהיר של רכיבים בהתחממות יתר במערכות אנרגיה גבוהה, כגון כורים גרעיניים במהלך תאונה. כאמור, התגלה כי באמצעות פרישת שריג הידרופילי או מחוספס ניתן למנוע את אפקט ליידנפרוסט. מנגד, המוביליות הגבוהה של טיפות ליידנפרוסט, חוסר המגע שלהם עם משטחים וההנעה העצמית שלהם מאפשרת הובלה מהירה של נוזלים (ואף חומרים אחרים המושהים בנוזל), ללא ספיחת מזהמים מהסביבה. בניסוי אחד, החוקרים אף הצליחו לגרום לעגלה קטנה עם מטען לרחף באמצעות אפקט ליידנפרוסט. עם זאת, הטיפה כן "מטאטאת" את הלכלוך במעין אפקט לוטוס. זוהי עוד תופעה משותפת לאפקט ליידנפרוסט ולחומרים הידרופוביים. מדיה וקבצים בנושא אפקט ליידנפרוסט בוויקישיתוף M. Zeuner, K. Schwark, C. Hanisch, M. Ziese, Leidenfrost effect studied by video analysis, European Journal of Physics 40, 2019-10, עמ' 065101 doi: 10.1088/1361-6404/ab37d6 Benjamin Sobac, Alexey Rednikov, Stéphane Dorbolo, Pierre Colinet, Leidenfrost Drops, Droplet Wetting and Evaporation, 2015-01-01, עמ' 85–99 doi: 10.1016/B978-0-12-800722-8.00007-2 David Quéré, Leidenfrost Dynamics, Annual Review of Fluid Mechanics 45, 2013-01-03, עמ' 197–215 doi: 10.1146/annurev-fluid-011212-140709