ライデンフロスト効果

ライデンフロスト効果とは

ライデンフロスト効果（Leidenfrost effect）は、液体がその沸点よりもはるかに高い温度の固体表面に接触した時に観察される現象です。この現象は、液体の下部が急速に蒸発することで発生する蒸気の層が、液体と固体との間に形成され、両者間の直接的な接触を阻害することで熱伝導を妨げるために起こります。この結果、液体はすぐに蒸発するのではなく、まるで浮いているかのようにゆっくりと蒸発していきます。この現象は、しばしば「ライデンフロスト現象」とも呼ばれます。

ライデンフロスト現象の例

身近な例としては、熱く熱したフライパンに水滴を落とした際に観察できます。フライパンの温度が水の沸点である100℃を大幅に超えている場合、水滴がフライパンに触れると、その接触面から瞬時に蒸発が起こります。この蒸発によって生じた蒸気は、水滴とフライパンの間に薄い層を形成し、水滴がフライパンに直接触れることを防ぎます。この蒸気層は、水滴がフライパンの上を滑りやすくする効果もあります。

蒸気層は常に水滴の下部で発生し、対流によって補給されるため、フライパンと水滴の接触はほとんど起こりません。これにより、フライパンから水滴への熱伝導が遅くなり、水滴はゆっくりと蒸発します。そのため、一見すると水滴がフライパンの上を浮遊しているように見えるのです。

ライデンフロスト効果の発見

この現象は、1756年にドイツの医師ヨハン・ゴットロープ・ライデンフロストによって論文で詳細に記述されました。しかし、現象自体は1732年にオランダのヘルマン・ブールハーフェによってすでに観察されていました。このため、ライデンフロスト効果という名前が付けられています。

ライデンフロスト温度

ライデンフロスト効果が現れる温度は、ライデンフロスト温度と呼ばれています。ただし、ライデンフロスト温度にはいくつかの定義があり、文献によって解釈が異なることがあります。

最高となる温度: これは、液体の蒸発時間が最も遅くなる温度を指します。例えば、水の場合、固体表面の温度が90℃から140℃程度までは、温度が高いほど水滴の蒸発は早まります。しかし、140℃から300℃付近までは、温度が高くなるほど蒸発が遅くなり、300℃付近でピークに達します。このピーク時の温度が、最高となるライデンフロスト温度です。
始まる温度: これは、ライデンフロスト現象が始まる温度を指します。この温度は、液体の種類、固体表面の性質、液体の不純物などによって大きく変動するため、正確な予測は困難です。粗い推定では、フライパンに水滴を落とした場合、約160℃程度からライデンフロスト現象が始まるとされています。

ライデンフロスト温度は、液体の蒸発速度が最も遅くなる温度であり、この温度以上になると、液体は固体表面との接触を避け、蒸気層の上で安定して存在します。

ライデンフロスト効果の応用

ライデンフロスト効果は、様々な分野で応用されています。例えば、金属の冷却や、蒸気タービンの効率向上などです。また、最近では、マイクロ流体デバイスや、熱輸送デバイスなどへの応用も研究されています。

関連項目

火渡り: 熱い炭の上を歩く行為は、足の裏の汗が蒸発することでライデンフロスト効果が発生し、火傷を防止すると考えられています。
ムペンバ効果: ある条件下では、高温の水の方が低温の水よりも早く凍結する現象。
核沸騰: 液体の沸騰現象の一種。固体表面に気泡が発生し、成長する現象。

外部リンク

Self-Propelled Liquid Droplets (PDF, 347 KiB): オレゴン大学 Heiner Linkeによる、高速度撮影でとらえた映像、写真、その説明。

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