Sellest blogipostitusest saate teada, miks on okei panna käsi korraks vedelasse lämmastikku ja kuidas Leidenfrosti efekt seda seletab. Liituge meiega, kui uurime seda põnevat teaduse taga olevat nähtust!
Filmis Terminaator 2 on stseen, kus T-1000, ülitugev küborg, mis suudab püsside, suurtükkide, leegiheitjate ja muu löögi vastu võtta, külmutatakse vedelas lämmastikus ja puhutakse siis ühe Terminaatori löögiga puruks. See stseen pole mitte ainult paljude jaoks meeldejääv, vaid ka suurepärane visuaalne esitus krüogeensete materjalide võimsusest. Vedelat lämmastikku kasutatakse laialdaselt teaduslikult ja tööstuslikult ning see on asendamatu mitmesuguste katsete ja ladustamistoimingute jaoks, eriti väga madalatel temperatuuridel.
Gaasiline lämmastik keeb temperatuuril miinus 196 kraadi Fahrenheiti järgi, seega on vedel lämmastik võimas krüogeenne aine, mis on külmem kui miinus 196 kraadi Fahrenheiti järgi ja võib enamiku materjale hetkega külmutada. Tegelikult mängib vedel lämmastik ülijuhtide uurimisel või bioloogiliste proovide pikaajalisel säilitamisel laboris üliolulist rolli. Tänu sellele võimsale jahutusvõimele kasutatakse vedelat lämmastikku ka krüogeensetes katsetes, teatud protsessides vajaliku temperatuuri reguleerimiseks ja isegi mehaaniliste osade kokkutõmbamiseks.
Mis juhtub siis, kui paned oma käe vedelasse lämmastikku sisse ja sealt välja? Kui teete seda kauem kui kaks sekundit, muidugi… see teeb täpselt seda, mida ette kujutate. Aga kui panete selle vaid sekundiks sisse ja välja, on teie käsi täiesti korras. Samamoodi saab kuiva jääd, tavalist külmutusagensit, lühikest aega keelel hoida ja seejärel ilma kahjustamata eemaldada. Miks on lühike kokkupuude nende krüogeensete ainetega okei?
Lühike vastus on, et see on Leidenfrosti efekti tõttu. Kui vedelik puutub kokku esemega, mille temperatuur on oluliselt kõrgem selle keemistemperatuurist, aurustub hetkeks ainult esemega kokkupuutuv vedeliku pind, moodustades aurukile. Kui moodustub aurukile, on soojusülekanne kahe objekti vahel häiritud. Sellel aurukilel, mida võib pidada looduslikult esinevaks isoleerivaks seinaks, on väga lühike kestus, mis tähendab, et see takistab soojusülekannet vaid lühikest aega ja siis kaob. Sellepärast on okei pista käsi sekundiks vedelasse lämmastikusse ja seejärel eemaldada, ning miks on okei pista oma keel sekundiks kuiva jää sisse ja seejärel eemaldada.
Leidenfrosti efekti leidub ka teistes levinud nähtustes. Näiteks olete ehk märganud, et kui tilgutate tilga vett kuumale pannile, siis see tantsib ja veereb enne aurustumist ümber panni pinna. See on tingitud Leidenfrosti efektist. Kui panni pind saavutab vee keemistemperatuurist palju kõrgema temperatuuri, aurustub tilga põhi koheselt, moodustades õhukese kile nagu õhukiht, mis paneb tilga pinnalt tagasi põrkuma. Leidenfrosti efekt on nähtus, mida näeme iga päev, kuid selle toimimise mõistmine on teaduse põnev osa.
Miks siis tekib aurukile ja see takistab soojusülekannet? Enne põhjuse juurde jõudmist vaatame lühidalt kolme soojusülekande viisi: juhtivus, konvektsioon ja kiirgus. Juhtivus on soojuse ülekanne läbi "kandja", mis on aine, mis kannab soojust; konvektsioon on soojuse ülekandmine keskkonnaga; ja kiirgus on soojuse otsene ülekandmine kõrgemalt temperatuurilt madalamale temperatuurile elektromagnetlainete kaudu, koos keskkonnaga või ilma. Näiteks metalli ühe poole kuumutamisel kuumeneb ka teine pool, mis on juhtivuse nähtus; kuuma ja külma vee segamisel muutub vesi leigeks, mis on konvektsiooni nähtus; ja kui päikese poolt eralduv soojusenergia jõuab maa peale, on tegemist kiirgusnähtusega. Tegelik soojusülekanne on aga enamasti segu juhtivusest, konvektsioonist ja kiirgusest, nii et kui soojusülekande eest vastutab ainult üks tegur, siis soojusülekande efektiivsus väheneb. Samuti on juhtivus tavaliselt suurim soojusülekanne, millele järgneb konvektsioon ja seejärel kiirgus.
Nüüd vastame ülaltoodud küsimusele, vaadeldes erinevust kahe objekti vahel, mille vahel pole aurukilet ja mille vahel on aur. Esiteks, mõlemal juhul ei ole kiirguse mõju märkimisväärne ja seda võib ignoreerida. Esiteks, kui aurukilet ei moodustu, on soojusülekanne kahe objekti vahel juhtivuse ja konvektsiooni segu. See on nii enamikes reaalsetes olukordades, näiteks pistades oma käe keevasse vette või veeretades lumepalli paljaste kätega, kus kahe objekti temperatuuride erinevus ei ole väga suur. Kui aga moodustub aurukile, saab soojusülekanne kahe objekti vahel toimuda ainult konvektsiooni teel. Nagu eespool mainitud, on see nii, kui asetate oma käe või keele vedelasse lämmastikusse või kuiva jäässe, kus kahe objekti temperatuuride erinevus on väga suur. Seetõttu, mis oli algselt juhtivuse ja konvektsiooni segu, toimub pärast aurukile moodustumist soojusülekanne ainult konvektsiooni teel, seega on ülekantav soojushulk väike.
Kokkuvõtteks võib öelda, et Leidenfrosti efekt on nähtus, mille puhul vedeliku kokkupuutel esemega, mille temperatuur on oluliselt kõrgem selle keemistemperatuurist, aurustub hetkeks ainult esemega kokkupuutuva vedeliku pind, moodustades aurukile, mis ajutiselt vähendab soojusülekannet. Oluline on märkida, et see nähtus esineb ainult vedeliku ja aine vahel, mille temperatuur on oluliselt kõrgem vedeliku keemistemperatuurist. Näiteks, nagu eespool mainitud, on käe vedelasse lämmastikusse või keele kuivjäässe pistmine lühiajaliselt ohutu, kuna käe temperatuur on palju kõrgem kui vedela lämmastiku või kuivjää keemistemperatuur. Käe või keele pinnale tekib aurukile, mis hetkeks peatab soojusülekande, kuid käe keevasse vette pistamine pole kunagi, mitte kunagi ohutu, sest käe temperatuur on palju madalam kui vee keemistemperatuur! Muidugi, isegi vedela lämmastiku ja kuivjää puhul ei kesta see nähtus kaua, nii et ärge olge nii hoolimatu, et teete seda lihtsalt katsetamiseks.
Meie ümber on rohkem nähtusi, kui arvate, mida saab seletada lihtsate teaduslike põhimõtetega. Me lihtsalt ei pööra sellele tähelepanu ega mõtle sellele. Teadus on kõikjal: õhus, mida me hingame, meie verandal kasvavates taimedes, ramen-nuudlite potis, mida me keedame. Näiteks võib füüsika selgitada, miks teie prillid uduseks lähevad, kui kõnnite külmal talvepäeval tänaval ja tulete sooja tuppa. Selle põhjuseks on õhus sisalduv veeaur, mis kondenseerub teie prillide külmadele klaasidele sise- ja välistemperatuuri erinevuse tõttu. See on veel üks näide loodusnähtusest, mida me iga päev kogeme. On põnev ja tähendusrikas mõista, et väikesed asjad, millega oma igapäevaelus kokku puutume, sisaldavad tegelikult hämmastavaid teaduslikke põhimõtteid.
