I dette blogginnlegget kan du finne ut hvorfor det er greit å kort legge hånden i flytende nitrogen og hvordan Leidenfrost-effekten forklarer det. Bli med oss mens vi utforsker dette fascinerende fenomenet bak vitenskapen!
I filmen Terminator 2 er det en scene der T-1000, en supersterk cyborg som tåler juling fra våpen, kanoner, flammekastere og mer, fryses i flytende nitrogen og deretter blåses i filler med et enkelt slag fra Terminator. Ikke bare er denne scenen minneverdig for mange, men den er også en flott visuell representasjon av kraften til kryogene materialer. Flytende nitrogen har et bredt spekter av vitenskapelige og industrielle bruksområder, og er uunnværlig for en rekke eksperimenter og lagringsoperasjoner, spesielt ved svært lave temperaturer.
Nitrogengass koker ved minus 196 grader Fahrenheit, så flytende nitrogen er et kraftig kryogent stoff som er kaldere enn minus 196 grader Fahrenheit og kan fryse de fleste materialer på et øyeblikk. Faktisk spiller flytende nitrogen en viktig rolle i laboratoriet når man studerer superledere eller lagrer biologiske prøver i lange perioder. Takket være denne kraftige kjøleevnen brukes flytende nitrogen også i kryogeniske eksperimenter, for å regulere temperaturen som kreves i visse prosesser, og til og med for å krympe mekaniske deler.
Så hva skjer når du setter hånden inn og ut av flytende nitrogen? Hvis du gjør det i mer enn to sekunder, vil det selvfølgelig gjøre akkurat det du forestiller deg. Men hvis du setter den inn og ut for bare et sekund, vil hånden din være helt fin. På samme måte kan tørris, et vanlig kjølemiddel, holdes på tungen i kort tid og deretter fjernes uten skade. Hvorfor er kortvarig kontakt med disse kryogene stoffene greit?
Det korte svaret er at det er på grunn av Leidenfrost-effekten. Når en væske kommer i kontakt med en gjenstand hvis temperatur er betydelig høyere enn kokepunktet, fordamper bare overflaten av væsken som er i kontakt med gjenstanden et øyeblikk og danner en dampfilm. Når en dampfilm dannes, svekkes varmeoverføringen mellom de to objektene. Denne dampfilmen, som kan betraktes som en naturlig forekommende isolasjonsvegg, har en svært kort varighet, noe som betyr at den kun hindrer varmeoverføringen i en kort periode og deretter forsvinner. Dette er grunnen til at det er greit å stikke hånden i flytende nitrogen et sekund og deretter fjerne den, og hvorfor det er greit å stikke tungen i tørris et sekund og deretter fjerne den.
Leidenfrost-effekten finnes også i andre vanlige fenomener. For eksempel har du kanskje lagt merke til at når du slipper en dråpe vann i en varm panne, danser og ruller den rundt overflaten av pannen før den fordamper. Dette skyldes Leidenfrost-effekten. Når overflaten av en panne når en temperatur som er mye høyere enn kokepunktet til vann, fordamper bunnen av dråpen øyeblikkelig, og danner en tynn film som et luftlag som får dråpen til å sprette av overflaten. Leidenfrost-effekten er et fenomen vi ser hver dag, men å forstå hvordan den fungerer er en fascinerende del av vitenskapen.
Så hvorfor dannes en dampfilm og forhindrer varmeoverføring? Før vi kommer til årsaken, la oss ta en rask titt på de tre måtene varme overføres på: ledning, konveksjon og stråling. Ledning er overføring av varme gjennom et "medium", som er stoffet som bærer varmen; konveksjon er overføring av varme med et medium; og stråling er direkte overføring av varme fra en høyere temperatur til en lavere temperatur gjennom elektromagnetiske bølger, med eller uten medium. For eksempel, når den ene siden av et metall varmes opp, varmes også den andre siden opp, som er et ledningsfenomen; når varmt vann og kaldt vann blandes, blir vannet lunkent, som er et fenomen med konveksjon; og når varmeenergien som sendes ut av solen når jorden, er det et strålingsfenomen. Imidlertid er faktisk varmeoverføring stort sett en blanding av ledning, konveksjon og stråling, så hvis bare én faktor er ansvarlig for varmeoverføring, vil effektiviteten til varmeoverføringen avta. Dessuten er ledning vanligvis den største varmeoverføringen, etterfulgt av konveksjon og deretter stråling.
La oss nå svare på spørsmålet ovenfor ved å se på forskjellen mellom to objekter uten og med en dampfilm mellom dem. Først av alt, i begge tilfeller er effekten av stråling ikke signifikant og kan ignoreres. For det første, når dampfilmen ikke dannes, er varmeoverføringen mellom de to objektene en blanding av ledning og konveksjon. Dette er tilfellet i de fleste situasjoner i den virkelige verden, som å stikke hånden i kokende vann eller rulle en snøball med bare hender, hvor temperaturforskjellen mellom de to objektene ikke er særlig stor. Men når en dampfilm dannes, kan varmeoverføring mellom de to objektene bare skje ved konveksjon. Som nevnt ovenfor er dette tilfellet når du legger hånden eller tungen i flytende nitrogen eller tørris, hvor temperaturforskjellen mellom de to objektene er veldig stor. Derfor, det som opprinnelig var en blanding av ledning og konveksjon, når en dampfilm først er dannet, skjer varmeoverføring kun ved konveksjon, så mengden varme som overføres er liten.
For å oppsummere er Leidenfrost-effekten et fenomen der når en væske kommer i kontakt med en gjenstand ved en temperatur som er betydelig høyere enn kokepunktet, fordamper bare overflaten av væsken som er i kontakt med gjenstanden et øyeblikk og danner en dampfilm, som reduserer varmeoverføringen midlertidig. Det er viktig å merke seg at dette fenomenet bare oppstår mellom en væske og et stoff hvis temperatur er betydelig høyere enn væskens kokepunkt. For eksempel, som nevnt ovenfor, er det trygt å stikke hånden i flytende nitrogen eller tungen i tørris i en kort periode fordi temperaturen på hånden er mye høyere enn kokepunktet til flytende nitrogen eller tørris, så en Det dannes dampfilm på overflaten av hånden eller tungen, som et øyeblikk stopper varmeoverføringen, men å stikke hånden i kokende vann er aldri, aldri trygt fordi temperaturen på hånden er mye lavere enn kokepunktet til vannet! Selvfølgelig, selv når det gjelder flytende nitrogen og tørris, varer ikke dette fenomenet lenge, så ikke vær så hensynsløs å faktisk gjøre det bare for å teste det ut.
Det er flere fenomener rundt oss enn du kanskje tror som kan forklares med enkle vitenskapelige prinsipper. Vi tar bare ikke hensyn og tenker ikke på det. Vitenskapen er overalt: i luften vi puster inn, i plantene som vokser på verandaen vår, i gryten med ramennudler koker vi. For eksempel kan fysikk forklare hvorfor brillene dugger når du går nedover gaten en kald vinterdag og kommer inn i et varmt rom. Det er forårsaket av vanndamp i luften som kondenserer på de kalde glassene på brillene dine på grunn av temperaturforskjellen mellom innendørs og utendørs, et annet eksempel på et naturfenomen som vi opplever hver dag. Det er fascinerende og meningsfylt å innse at de små tingene vi møter i hverdagen faktisk inneholder fantastiske vitenskapelige prinsipper.
