Šajā emuāra ierakstā uzziniet, kāpēc ir pareizi īsi iebāzt roku šķidrā slāpeklī un kā to izskaidro Leidenfrosta efekts. Pievienojieties mums, pētot šo aizraujošo fenomenu, kas slēpjas zinātnē!
Filmā Terminators 2 ir aina, kurā T-1000, superspēcīgs kiborgs, kas spēj izturēt sitienus no ieročiem, lielgabaliem, liesmu metējiem un citiem, tiek sasaldēts šķidrā slāpeklī un pēc tam ar vienu terminatora sitienu tiek sapūsts gabalos. Šī aina daudziem ir ne tikai neaizmirstama, bet arī lieliski vizuāli atspoguļo kriogēno materiālu spēku. Šķidrajam slāpeklim ir plašs zinātnisko un rūpniecisko lietojumu klāsts, un tas ir neaizstājams dažādiem eksperimentiem un uzglabāšanas darbībām, īpaši ļoti zemā temperatūrā.
Slāpekļa gāze vārās pie mīnus 196 grādiem pēc Fārenheita, tāpēc šķidrais slāpeklis ir spēcīga kriogēna viela, kas ir aukstāka par mīnus 196 grādiem pēc Fārenheita un var vienā mirklī sasaldēt lielāko daļu materiālu. Faktiski šķidrajam slāpeklim ir būtiska loma laboratorijā, pētot supravadītājus vai uzglabājot bioloģiskos paraugus ilgu laiku. Pateicoties šai spēcīgajai dzesēšanas spējai, šķidrais slāpeklis tiek izmantots arī kriogēnos eksperimentos, lai regulētu atsevišķos procesos nepieciešamo temperatūru un pat lai sarautu mehāniskās detaļas.
Tātad, kas notiek, ieliekot roku šķidrajā slāpeklī un izejot no tā? Ja jūs to darāt ilgāk par divām sekundēm, protams... tas darīs tieši to, ko jūs iedomājaties. Bet, ja jūs to ievietojat un izslēdzat tikai uz sekundi, jūsu roka būs pilnīgi kārtībā. Tāpat arī sauso ledu, parasto aukstumaģentu, var īsu laiku turēt uz mēles un pēc tam noņemt bez bojājumiem. Kāpēc īss kontakts ar šīm kriogēnajām vielām ir piemērots?
Īsā atbilde ir tāda, ka tas ir Leidenfrosta efekta dēļ. Šķidrumam saskaroties ar priekšmetu, kura temperatūra ir ievērojami augstāka par tā viršanas temperatūru, tikai šķidruma virsma, kas saskaras ar priekšmetu, momentāni iztvaiko, veidojot tvaika plēvi. Kad veidojas tvaika plēve, tiek traucēta siltuma pārnese starp abiem objektiem. Šai tvaika plēvei, ko var uzskatīt par dabisku izolējošu sienu, ir ļoti īss darbības laiks, kas nozīmē, ka tā tikai īsu laiku kavē siltuma pārnesi un pēc tam pazūd. Tāpēc ir pareizi uz sekundi iebāzt roku šķidrā slāpeklī un pēc tam to izņemt, un tāpēc ir pareizi uz sekundi iebāzt mēli sausā ledū un pēc tam to izņemt.
Leidenfrosta efekts ir sastopams arī citās izplatītās parādībās. Piemēram, jūs, iespējams, pamanījāt, ka, iepilinot ūdens pilienu karstā pannā, tas pirms iztvaikošanas dejo un ripo ap pannas virsmu. Tas ir saistīts ar Leidenfrost efektu. Kad pannas virsma sasniedz temperatūru, kas ir daudz augstāka par ūdens viršanas temperatūru, piliena dibens acumirklī iztvaiko, veidojot plānu plēvi, piemēram, gaisa slāni, kas liek pilienam atlēkt no virsmas. Leidenfrosta efekts ir parādība, ko mēs redzam katru dienu, taču izpratne par tā darbību ir aizraujoša zinātnes sastāvdaļa.
Tātad, kāpēc veidojas tvaika plēve un novērš siltuma pārnesi? Pirms nonākam pie iemesla, īsi apskatīsim trīs siltuma pārneses veidus: vadītspēju, konvekciju un starojumu. Vadītspēja ir siltuma pārnešana caur “vidi”, kas ir viela, kas nes siltumu; konvekcija ir siltuma pārnešana ar barotni; un starojums ir tieša siltuma pārnešana no augstākas temperatūras uz zemāku temperatūru caur elektromagnētiskiem viļņiem, ar vai bez vides. Piemēram, kad tiek uzkarsēta viena metāla puse, uzsilst arī otra puse, kas ir vadītspējas parādība; sajaucot karstu un aukstu ūdeni, ūdens kļūst remdens, kas ir konvekcijas parādība; un kad saules izstarotā siltumenerģija sasniedz zemi, tā ir radiācijas parādība. Tomēr faktiskā siltuma pārnese lielākoties ir vadītspējas, konvekcijas un starojuma sajaukums, tāpēc, ja siltuma pārnesi ir atbildīgs tikai viens faktors, siltuma pārneses efektivitāte samazināsies. Arī vadītspēja parasti ir lielākā siltuma pārnese, kam seko konvekcija un pēc tam starojums.
Tagad atbildēsim uz iepriekš minēto jautājumu, aplūkojot atšķirību starp diviem objektiem bez tvaika plēves un starp tiem. Pirmkārt, abos gadījumos starojuma ietekme nav būtiska un to var ignorēt. Pirmkārt, kad tvaika plēve nav izveidota, siltuma pārnese starp diviem objektiem ir vadītspējas un konvekcijas maisījums. Tā tas notiek vairumā reālo situāciju, piemēram, iebāzot roku verdošā ūdenī vai ripinot sniega piku ar kailām rokām, kur temperatūras starpība starp abiem objektiem nav ļoti liela. Tomēr, kad veidojas tvaika plēve, siltuma pārnese starp abiem objektiem var notikt tikai konvekcijas ceļā. Kā minēts iepriekš, tas ir gadījumā, ja jūs ieliekat roku vai mēli šķidrā slāpeklī vai sausajā ledū, kur temperatūras starpība starp abiem objektiem ir ļoti liela. Tāpēc, kas sākotnēji bija vadītspējas un konvekcijas maisījums, kad ir izveidojusies tvaika plēve, siltuma pārnese notiek tikai ar konvekciju, tāpēc pārnestā siltuma daudzums ir mazs.
Rezumējot, Leidenfrosta efekts ir parādība, kurā šķidrumam nonākot saskarē ar objektu temperatūrā, kas ir ievērojami augstāka par tā viršanas temperatūru, tikai šķidruma virsma, kas saskaras ar objektu, momentāni iztvaiko, veidojot tvaika plēvi, kas. īslaicīgi samazina siltuma pārnesi. Ir svarīgi atzīmēt, ka šī parādība notiek tikai starp šķidrumu un vielu, kuras temperatūra ir ievērojami augstāka par šķidruma viršanas temperatūru. Piemēram, kā minēts iepriekš, iebāzt roku šķidrā slāpeklī vai mēli sausajā ledū ir droši īsu laiku, jo rokas temperatūra ir daudz augstāka par šķidrā slāpekļa vai sausā ledus viršanas temperatūru, tāpēc Uz rokas vai mēles virsmas veidojas tvaika plēve, kas uz brīdi aptur siltuma pārnesi, bet iebāzt roku verdošā ūdenī nekad, nekad nav droši, jo rokas temperatūra ir daudz zemāka par ūdens viršanas temperatūru! Protams, pat šķidrā slāpekļa un sausā ledus gadījumā šī parādība nav ilgstoša, tāpēc neesiet tik neapdomīgi un dariet to tikai tāpēc, lai to pārbaudītu.
Mums apkārt ir vairāk parādību, nekā jūs varētu domāt, ko var izskaidrot ar vienkāršiem zinātniskiem principiem. Mēs vienkārši nepievēršam uzmanību un nedomājam par to. Zinātne ir visur: gaisā, ko elpojam, augos, kas aug uz mūsu lieveņa, vārām ramen nūdeļu katlā. Piemēram, fizika var izskaidrot, kāpēc jūsu brilles aizsvīst, ejot pa ielu aukstā ziemas dienā un nonākot siltā telpā. To izraisa ūdens tvaiki, kas kondensējas uz jūsu briļļu aukstajām lēcām gaisa temperatūras starpības dēļ telpās un ārpus tām, kas ir vēl viens dabas parādības piemērs, ko mēs piedzīvojam katru dienu. Ir aizraujoši un nozīmīgi apzināties, ka mazās lietas, ar kurām sastopamies savā ikdienas dzīvē, patiesībā satur pārsteidzošus zinātniskus principus.
