लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव

लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव एक भौतिक घटना है जिसमें एक तरल, एक ऐसी सतह के करीब होता है जो तरल के क्वथनांक से काफी अधिक गर्म होती है, एक इन्सुलेट वाष्प परत उत्पन्न करती है जो तरल को तेजी से उबलने से रोकती है। इस प्रतिकारक बल के कारण, एक बूंद इसके साथ शारीरिक संपर्क बनाने के बजाय सतह पर मंडराती रहती है। इस प्रभाव का नाम जर्मन डॉक्टर जोहान गॉटलोब लीडेनफ्रॉस्ट के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने ए ट्रैक्ट अबाउट सम क्वॉलिटीज़ ऑफ कॉमन वॉटर में इसका वर्णन किया है।

यह आमतौर पर खाना बनाते समय देखा जाता है, जब गर्म तवे पर पानी की बूंदें छिड़की जाती हैं। यदि पैन का तापमान लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु पर या उससे ऊपर है, जो लगभग है 193 C पानी के लिए, पानी पैन के पार बिखर जाता है और वाष्पित होने में उससे अधिक समय लगता है जितना कि पानी की बूंदों को ठंडे पैन पर छिड़कने पर लगता।

फ़ाइल:पारंपरिक_संरचित_सतह_और_STA_at_T_=_1000° का ठंडा प्रदर्शनC.gif|thumb|टी = 1000 डिग्री सेल्सियस पर पारंपरिक संरचित सतह और एसटीए का शीतलन प्रदर्शन

विवरण
इसका प्रभाव तब देखा जा सकता है जब तवे के गर्म होने पर उस पर कई बार पानी की बूंदें छिड़की जाती हैं। प्रारंभ में, चूंकि पैन का तापमान ठीक नीचे होता है 100 C, पानी चपटा हो जाता है और धीरे-धीरे वाष्पित हो जाता है, या यदि पैन का तापमान काफी नीचे है 100 C, पानी तरल रहता है। जैसे-जैसे पैन का तापमान ऊपर बढ़ता जाता है 100 C, पैन को छूने पर पानी की बूंदें फुसफुसाती हैं और ये बूंदें तेजी से वाष्पित हो जाती हैं। जब तापमान लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु से अधिक हो जाता है, तो लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव प्रकट होता है। पैन के संपर्क में आने पर, पानी की बूंदें पानी की छोटी-छोटी गेंदों में एकत्रित हो जाती हैं और इधर-उधर बिखरने लगती हैं, जो पैन का तापमान कम होने की तुलना में अधिक समय तक बनी रहती हैं। यह प्रभाव तब तक काम करता है जब तक कि बहुत अधिक तापमान के कारण पानी की अन्य बूंदें इतनी तेजी से वाष्पित न हो जाएं कि यह प्रभाव पैदा हो सके।

इसका प्रभाव इसलिए होता है, क्योंकि लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु पर या उससे ऊपर के तापमान पर, पानी की बूंद का निचला हिस्सा गर्म तवे के संपर्क में आने पर तुरंत वाष्पीकृत हो जाता है। परिणामी गैस पानी की बाकी बूंदों को अपने ऊपर ही रोक लेती है, जिससे तरल पानी और गर्म पैन के बीच कोई और सीधा संपर्क नहीं हो पाता है। चूंकि भाप में धातु के पैन की तुलना में बहुत कम तापीय चालकता होती है, इसलिए पैन और बूंद के बीच गर्मी हस्तांतरण नाटकीय रूप से धीमा हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप बूंद पैन के ठीक नीचे गैस की परत पर उसके चारों ओर फिसलने में सक्षम हो जाती है।

जिस तापमान पर लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव प्रकट होता है उसका अनुमान लगाना कठिन है। भले ही तरल की बूंद की मात्रा समान रहती है, लेडेनफ्रॉस्ट बिंदु काफी भिन्न हो सकता है, सतह के गुणों के साथ-साथ तरल में किसी भी अशुद्धता पर एक जटिल निर्भरता के साथ। सिस्टम के सैद्धांतिक मॉडल पर कुछ शोध किए गए हैं, लेकिन यह काफी जटिल है। इस प्रभाव का वर्णन विक्टोरियन स्टीम बॉयलर डिजाइनर, विलियम फेयरबैर्न द्वारा भी किया गया था, जो गर्म लोहे की सतह से पानी में गर्मी हस्तांतरण को बड़े पैमाने पर कम करने पर इसके प्रभाव के संदर्भ में था, जैसे कि बॉयलर के भीतर। बॉयलर डिज़ाइन पर व्याख्यान की एक जोड़ी में, उन्होंने इसका अध्ययन करने के लिए पियरे हिप्पोलीटे बाउटिग्नी (1798-1884) और किंग्स कॉलेज, लंदन के प्रोफेसर बोमन के काम का हवाला दिया। पानी की एक बूंद जो लगभग तुरंत ही वाष्पीकृत हो गई 168 C 152 सेकंड तक कायम रहा 202 C. बॉयलर फ़ायरबॉक्स (स्टीम इंजन) में कम तापमान के परिणामस्वरूप पानी अधिक तेज़ी से वाष्पित हो सकता है; एमपीईएमबीए प्रभाव की तुलना करें। एक वैकल्पिक तरीका यह था कि तापमान को लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु से आगे बढ़ाया जाए। फेयरबैर्न ने भी इस पर विचार किया, और हो सकता है कि वह फ्लैश बॉयलर पर विचार कर रहा हो, लेकिन उस समय के लिए तकनीकी पहलुओं को दुर्गम माना।

लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु को उस तापमान के रूप में भी लिया जा सकता है जिसके लिए मँडराती बूंद सबसे लंबे समय तक रहती है। यह प्रदर्शित किया गया है कि सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों का शोषण करके पानी की लीडेनफ्रॉस्ट वाष्प परत को स्थिर करना संभव है। इस मामले में, एक बार वाष्प परत स्थापित हो जाने के बाद, शीतलन से परत कभी नहीं ढहती है, और कोई न्यूक्लियेट उबलना नहीं होता है; इसके बजाय परत धीरे-धीरे शिथिल हो जाती है जब तक कि सतह ठंडी न हो जाए। अलग-अलग उबलते तापमान वाले विभिन्न तरल पदार्थों की बूंदें भी एक-दूसरे के संबंध में लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव प्रदर्शित करेंगी और एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करेंगी। लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव का उपयोग उच्च संवेदनशीलता परिवेश द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री के विकास के लिए किया गया है। लीडेनफ्रॉस्ट स्थिति के प्रभाव में, उड़ने वाली बूंद अणुओं को मुक्त नहीं करती है, और अणु बूंद के अंदर समृद्ध होते हैं। बूंदों के वाष्पीकरण के अंतिम क्षण में, सभी समृद्ध अणु थोड़े समय में निकल जाते हैं और इस तरह संवेदनशीलता बढ़ जाती है। लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव पर आधारित एक ताप इंजन का प्रोटोटाइप तैयार किया गया है; इसमें बेहद कम घर्षण का लाभ है। यह प्रभाव तब भी लागू होता है जब सतह कमरे के तापमान पर होती है लेकिन तरल क्रायोजेनिक होता है, जिससे तरल नाइट्रोजन की बूंदें उजागर त्वचा से हानिरहित तरीके से लुढ़क जाती हैं। इसके विपरीत, उलटा लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव अपेक्षाकृत गर्म तरल की बूंदों को तरल नाइट्रोजन के स्नान पर उड़ने देता है।

लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु
लीडेनफ्रॉस्ट बिंदु स्थिर फिल्म उबलने की शुरुआत का प्रतीक है। यह क्वथनांक वक्र पर उस बिंदु का प्रतिनिधित्व करता है जहां ताप प्रवाह न्यूनतम होता है और सतह पूरी तरह से वाष्प कंबल से ढकी होती है। सतह से तरल तक ऊष्मा का स्थानांतरण वाष्प के माध्यम से संचालन और विकिरण द्वारा होता है। 1756 में, लीडेनफ्रॉस्ट ने देखा कि वाष्प फिल्म द्वारा समर्थित पानी की बूंदें गर्म सतह पर चलते समय धीरे-धीरे वाष्पित हो जाती हैं। जैसे-जैसे सतह का तापमान बढ़ता है, वाष्प फिल्म के माध्यम से विकिरण अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है और अतिरिक्त तापमान बढ़ने से गर्मी का प्रवाह बढ़ जाता है।

एक बड़ी क्षैतिज प्लेट के लिए न्यूनतम ताप प्रवाह जुबेर के समीकरण से प्राप्त किया जा सकता है,

$${{\frac{q}{A}}_{min}}=C{{h}_{fg}}{{\rho }_{v}}{{\left[ \frac{\sigma g\left( {{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}} \right)}{{{\left( {{\rho }_{L}}+{{\rho }_{v}} \right)}^{2}}} \right]}^{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;}}$$ जहां गुणों का मूल्यांकन संतृप्ति तापमान पर किया जाता है। ज़ुबेर का स्थिरांक, $$C$$, मध्यम दबाव पर अधिकांश तरल पदार्थों के लिए लगभग 0.09 है।

ऊष्मा अंतरण सहसंबंध
ब्रोमली के समीकरण का उपयोग करके गर्मी हस्तांतरण गुणांक का अनुमान लगाया जा सकता है,

$$h=C{{\left[ \frac{k_{v}^{3}{{\rho }_{v}}g\left( {{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}} \right)\left( {{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left( {{T}_{s}}-{{T}_{sat}} \right) \right)}{{{D}_{o}}{{\mu }_{v}}\left( {{T}_{s}}-{{T}_{sat}} \right)} \right]}^{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;}}$$ कहाँ $${{D}_{o}}$$ ट्यूब का बाहरी व्यास है. क्षैतिज सिलेंडरों और ऊर्ध्वाधर प्लेटों के लिए सहसंबंध स्थिरांक C 0.62 है, और गोले के लिए 0.67 है। वाष्प गुणों का मूल्यांकन फिल्म तापमान पर किया जाता है।

क्षैतिज सतह पर स्थिर फिल्म उबलने के लिए, बेरेन्सन ने ब्रोमली के समीकरण को संशोधित किया है,

$$h=0.425{{\left[ \frac{k_{vf}^{3}{{\rho }_{vf}}g\left( {{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}} \right)\left( {{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left( {{T}_{s}}-{{T}_{sat}} \right) \right)}{{{\mu }_{vf}}\left( {{T}_{s}}-{{T}_{sat}} \right)\sqrt{\sigma /g\left( {{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}} \right)}} \right]}^{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;}}$$ ऊर्ध्वाधर ट्यूबों के लिए, एचएसयू और वेस्टवाटर ने निम्नलिखित समीकरण को सहसंबद्ध किया है,

$$h{{\left[ \frac{\mu _{v}^{2}}{g{{\rho }_{v}}\left( {{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}} \right)k_{v}^{3}} \right]}^{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{3}\;}}=0.0020{{\left[ \frac{4m}{\pi {{D}_{v}}{{\mu }_{v}}} \right]}^{0.6}}$$ जहाँ m द्रव्यमान प्रवाह दर है $$l{{b}_{m}}/hr$$ ट्यूब के ऊपरी सिरे पर.

न्यूनतम ताप प्रवाह से अधिक तापमान पर, विकिरण का योगदान सराहनीय हो जाता है, और उच्च तापमान पर यह प्रभावी हो जाता है। इस प्रकार कुल ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक दोनों का एक संयोजन है। ब्रोमली ने क्षैतिज ट्यूबों की बाहरी सतह से फिल्म उबलने के लिए निम्नलिखित समीकरण सुझाए हैं:

$${{h}^{{}^{4}\!\!\diagup\!\!{}_{3}\;}}={{h}_{conv}}^{{}^{4}\!\!\diagup\!\!{}_{3}\;}+{{h}_{rad}}{{h}^{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{3}\;}}$$ अगर $${{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}$$,

$$h={{h}_{conv}}+\frac{3}{4}{{h}_{rad}}$$ प्रभावी विकिरण गुणांक, $${{h}_{rad}}$$ के रूप में व्यक्त किया जा सकता है,

$${{h}_{rad}}=\frac{\varepsilon \sigma \left( T_{s}^{4}-T_{sat}^{4} \right)}{\left( {{T}_{s}}-{{T}_{sat}} \right)}$$ कहाँ $$\varepsilon $$ ठोस की उत्सर्जनता है और $$\sigma $$ स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है।

लीडेनफ्रॉस्ट छोटी बूंद में दबाव क्षेत्र
मानक गति और निरंतरता समीकरणों का उपयोग करके बूंद और ठोस सतह के बीच वाष्प क्षेत्र में दबाव क्षेत्र के समीकरण को हल किया जा सकता है। समाधान में सरलता के लिए, वाष्प चरण के भीतर एक रैखिक तापमान प्रोफ़ाइल और एक परवलयिक वेग प्रोफ़ाइल मान ली जाती है। वाष्प चरण के भीतर ऊष्मा स्थानांतरण चालन (ऊष्मा) के माध्यम से माना जाता है। इन अनुमानों के साथ, दबाव क्षेत्र प्राप्त करने के लिए नेवियर-स्टोक्स समीकरणों को हल किया जा सकता है।

लीडेनफ्रॉस्ट तापमान और सतह तनाव प्रभाव
लीडेनफ्रॉस्ट तापमान ठोस-तरल जोड़ी के दिए गए सेट की संपत्ति है। ठोस सतह का वह तापमान जिसके आगे तरल लीडेनफ्रॉस्ट घटना से गुजरता है, उसे लीडेनफ्रॉस्ट तापमान कहा जाता है। लीडेनफ्रॉस्ट तापमान की गणना में किसी तरल पदार्थ के न्यूनतम फिल्म क्वथनांक तापमान की गणना शामिल होती है। बेरेंसन न्यूनतम ऊष्मा प्रवाह तर्कों से न्यूनतम फिल्म क्वथनांक के लिए एक संबंध प्राप्त किया। जबकि न्यूनतम फिल्म क्वथनांक तापमान का समीकरण, जो उपरोक्त संदर्भ में पाया जा सकता है, काफी जटिल है, इसकी विशेषताओं को भौतिक परिप्रेक्ष्य से समझा जा सकता है। विचार करने योग्य एक महत्वपूर्ण पैरामीटर सतह तनाव है। न्यूनतम फिल्म क्वथनांक और सतह तनाव के बीच आनुपातिक संबंध अपेक्षित है, क्योंकि उच्च सतह तनाव वाले तरल पदार्थों को न्यूक्लियेट उबलने की शुरुआत के लिए अधिक मात्रा में ताप प्रवाह की आवश्यकता होती है। चूँकि फिल्म उबलना न्यूक्लियेट उबलने के बाद होता है, फिल्म उबलने के लिए न्यूनतम तापमान की सतह के तनाव पर आनुपातिक निर्भरता होनी चाहिए।

हेनरी ने लीडेनफ्रॉस्ट घटना के लिए एक मॉडल विकसित किया जिसमें क्षणिक गीलापन और माइक्रोलेयर वाष्पीकरण शामिल है। चूँकि लीडेनफ्रॉस्ट घटना फिल्म उबलने का एक विशेष मामला है, लीडेनफ्रॉस्ट तापमान एक संबंध के माध्यम से न्यूनतम फिल्म उबलते तापमान से संबंधित है जो उपयोग किए जा रहे ठोस के गुणों को प्रभावित करता है। जबकि लेडेनफ्रॉस्ट तापमान सीधे तौर पर तरल पदार्थ की सतह के तनाव से संबंधित नहीं है, यह फिल्म के उबलने के तापमान के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से इस पर निर्भर है। समान थर्मोफिजिकल गुणों वाले तरल पदार्थों के लिए, उच्च सतह तनाव वाले तरल पदार्थ में आमतौर पर लेडेनफ्रॉस्ट तापमान अधिक होता है।

उदाहरण के लिए, एक संतृप्त जल-तांबा इंटरफ़ेस के लिए, लीडेनफ्रॉस्ट तापमान है 257 C. ग्लिसरॉल और सामान्य अल्कोहल के लिए लीडेनफ्रॉस्ट तापमान उनके निचले सतह तनाव मूल्यों के कारण काफी कम है (घनत्व और चिपचिपाहट अंतर भी योगदान देने वाले कारक हैं।)

प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव
2015 में गैर-वाष्पशील सामग्रियों की खोज की गई थी, जिसमें 'प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव' भी प्रदर्शित किया गया था, जिसके तहत ठोस कणों को गर्म सतहों के ऊपर तैरते और अनियमित रूप से इधर-उधर भटकते देखा गया था। उच्च गति फोटोग्राफी द्वारा उच्च तापमान पॉलिश सतहों पर सेल्यूलोज के छोटे कणों (~ 0.5 मिमी) के लिए प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव का विस्तृत लक्षण वर्णन पूरा किया गया था। सेलूलोज़ को लघु-श्रृंखला oligomers में विघटित होते देखा गया, जो सतह के तापमान में वृद्धि के साथ बढ़ते ताप हस्तांतरण के साथ चिकनी सतहों को पिघलाता और गीला करता है। ऊपर 675 C, सेल्युलोज को हिंसक बुलबुले और गर्मी हस्तांतरण में संबंधित कमी के साथ उबलते संक्रमण का प्रदर्शन करते देखा गया। सेल्युलोज बूंद का उत्थापन (दाईं ओर दर्शाया गया) लगभग ऊपर होता हुआ देखा गया 750 C, गर्मी हस्तांतरण में नाटकीय कमी के साथ जुड़ा हुआ है। झरझरा सतहों (मैक्रोपोरस अल्युमिना ) पर सेल्युलोज के प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव की उच्च गति की फोटोग्राफी भी प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव को दबाने और सतह से कण में समग्र गर्मी हस्तांतरण दरों को बढ़ाने के लिए दिखाई गई थी। 'प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट (आरएल) प्रभाव' की नई घटना को एक आयामहीन मात्रा की विशेषता थी, (φRL= टीconv/टीrxn), जो ठोस कण ताप स्थानांतरण के समय स्थिरांक को कण प्रतिक्रिया के समय स्थिरांक से संबंधित करता है, जिसमें प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव 10 के लिए होता है।−1<fRL< 10+1. सेल्युलोज के साथ प्रतिक्रियाशील लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव कार्बोहाइड्रेट पॉलिमर के साथ कई उच्च तापमान अनुप्रयोगों में होगा, जिसमें बायोमास को जैव ईंधन में परिवर्तित करना, भोजन तैयार करना और पकाना और तंबाकू का उपयोग शामिल है।

लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव का उपयोग थर्मल अपघटन द्वारा विभिन्न उत्पादों में रूपांतरण के माध्यम से विभिन्न कार्बनिक तरल पदार्थों के रासायनिक परिवर्तन को बढ़ावा देने के साधन के रूप में भी किया गया है। उदाहरणों में इथेनॉल का अपघटन शामिल है, डायथाइल कार्बोनेट, और ग्लिसरॉल.

लोकप्रिय संस्कृति में
जूल्स वर्ने की 1876 की पुस्तक माइकल स्ट्रोगोफ़ में, नायक को आंसुओं को वाष्पित करके गर्म ब्लेड से अंधा होने से बचाया जाता है। Mythbusters, मिथबस्टर्स (2009 सीज़न)# नेतृत्व करना प्लंज के 2009 सीज़न 7 के फिनाले में, टीम ने वैज्ञानिक आधार के रूप में लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव का उपयोग करते हुए प्रदर्शित किया कि एक व्यक्ति अपने हाथ को गीला कर सकता है और उसे चोट के बिना पिघले हुए सीसे में डुबो सकता है।

यह भी देखें

 * गंभीर ताप प्रवाह
 * क्षेत्र-बीटा विरोधाभास

बाहरी संबंध

 * Essay about the effect and demonstrations by Jearl Walker (PDF)
 * Site with high-speed video, pictures and explanation of film-boiling by Heiner Linke at the University of Oregon, USA
 * "Scientists make water run uphill" by BBC News about using the Leidenfrost effect for cooling of computer chips.
 * "Uphill Water" – ABC Catalyst story
 * "Leidenfrost Maze" – University of Bath undergraduate students Carmen Cheng and Matthew Guy
 * "When Water Flows Uphill" – Science Friday with Univ. of Bath professor Kei Takashina
 * Carolyn Embach, ResearchGate: English translation of Johan Gottlob Leidenfrost, De aquae communes nonnullis qualitatibus tractatus, Duisburg on Rhine, 1756. (Carolyn S. E. Wares aka Carolyn Embach, translator, 1964)
 * Carolyn Embach, ResearchGate: English translation of Johan Gottlob Leidenfrost, De aquae communes nonnullis qualitatibus tractatus, Duisburg on Rhine, 1756. (Carolyn S. E. Wares aka Carolyn Embach, translator, 1964)