Práctica 5-Efecto Leidenfrost - Descripción del experimento PDF

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El efecto Leidenfrost es un fenómeno físico que brinda protección temporal a un material, generalmente contra la transmisión de calor. Esta protección puede aplicarse a muchos campos, como ser medicina, armamento, mantenimiento de maquinaria, etc., por lo que su manejo debe realizarse con conciencia...

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE

Práctica # 5 Efecto Leidenfrost Enriquez Valverde Daniel Laboratorio Termodinámica Técnica Grupo #2 – Miércoles 14:30-16:00 Docente Teoría: Ing. Eduardo Invernizzi Belmar

Docente Laboratorio: Dr. Gustavo Calderón Valle

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE

OBJETIVOS. Mostrar el efecto de Leidenfrost.  Analizar su concepción teórica y algunas de sus posibles aplicaciones.

EQUIPO.Experimento 1: Efecto Leidenfrost en un sartén caliente. 1. Agua 2. Satén 3. Hornilla Experimento 2: Efecto Leidenfrost en las manos. 1. Agua 2. Lavavajillas 3. Contenedor lleno de agua 4. Una bombilla 5. Un palo de platico de un chupete 6. Fósforo o encendedor

REACTIVOS. Aerosol inflamable.

MARCO TEÓRICO.El efecto Leidenfrost es el nombre dado al fenómeno de la capa de vapor que se forma alrededor de un líquido, al encontrarse sobre una superficie con temperatura significativamente mayor al punto de ebullición de ese líquido. Cuando sobre una placa metálica a alta temperatura se coloca una gota de un líquido volátil (agua, alcohol, etc.), la gota no se evapora instantáneamente sino que se mueve erráticamente sobre la superficie durante cierto tiempo, hasta que finalmente desaparece. Pero tarda más tiempo en desaparecer que a una temperatura inferior. Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) realizó estudios del efecto Leidenfrost y pensó que las gotas que quedaban suspendidas sobre la superficie de la placa caliente constituían un nuevo estado de la materia, lo que él denominó estado esferoidal.

Efecto.El efecto se puede visualizar rociando gotas de agua sobre una bandeja a distintas temperaturas. Inicialmente, con la temperatura de la bandeja por debajo de los 100 ° C, el agua se aplana y se evapora lentamente. A medida que la temperatura de la bandeja pasa por encima de 100 ° C, las gotas de agua dan un silbido al tocar la sartén y se evapora rápidamente. Más tarde, Página 2

DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE cuando la temperatura excede el punto de Leidenfrost, el efecto Leidenfrost entra en juego. Al contacto con la sartén, se forma un montón de pequeñas gotas de agua que resbalan sobre la superficie, tardando en evaporase más tiempo que cuando la temperatura de la sartén era menor. Este efecto sucede hasta alcanzar una temperatura mucho más alta que hace que cualquier gota de agua que se evapore demasiado rápido para causar este efecto. Esto es debido a que a temperaturas por encima del punto Leidenfrost, la parte inferior de la gotita de agua se vaporiza inmediatamente en contacto con la placa caliente. El gas resultante eleva el resto de la gota de agua justo encima de él, impidiendo cualquier contacto directo entre el agua líquida y la placa caliente. Como el vapor tiene una conductividad térmica mucho menor, la transferencia de calor entre la bandeja y la gota se ralentiza considerablemente. Además esto permite a la gota deslizarse con muy poco rozamiento sobre la capa de vapor bajo ella.

La temperatura a la cual el efecto Leidenfrost comienza a ocurrir no es fácil de predecir. Incluso si el volumen de la gota de líquido permanece igual, el punto Leidenfrost puede ser bastante diferente, con una dependencia complicada en las propiedades de la superficie, así como cualesquiera impurezas en el líquido. Algunas investigaciones han llevado a cabo en un modelo teórico del sistema, pero es bastante complicado. Como un cálculo muy aproximado, el punto de Leidenfrost de una gota de agua en una sartén puede ocurrir a 193 ° C. El efecto fue descrito también por el eminente diseñador de caldera de vapor de la época victoriana, Sir William Fairbairn, en referencia a su efecto sobre la reducción masiva transferencia Página 3

DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE de calor desde una superficie de hierro caliente al agua, tal como dentro de una caldera. En un par de conferencias sobre el diseño de la caldera, citó el trabajo de M. Boutigny del profesor Bowman, del King's College, de Londres donde se estudiaba esto. Una gota de agua que se evapora casi de inmediato a 168 ° C persistió durante 152 segundos a 202 ° C. Como resultado paradójico las temperaturas más bajas en una caja de fuegos de la caldera puede evaporar el agua más rápidamente, comparar el efecto Mpemba. Un enfoque alternativo es aumentar la temperatura más allá del punto Leidenfrost. Fairbairn considera esto también, y puede haber considerado la caldera de vapor flash, pero consideró que los aspectos técnicos insuperables para la época. El punto Leidenfrost también se puede definir como la temperatura para la cual la gota flotando dura más tiempo.

El punto Leidenfrost.El punto Leidenfrost significa el comienzo de la ebullición estable sobre película. Representa el punto de la curva de ebullición donde el flujo de calor está en el mínimo y la superficie está completamente cubierta por un manto de vapor. La transferencia de calor desde la superficie hasta que el líquido se produce por conducción y radiación a través del vapor. En 1756, Leidenfrost observó que las gotas de agua apoyados por la película de vapor se evaporan lentamente a medida que avanzan sobre la superficie caliente. A medida que la temperatura de la superficie se incrementa, la radiación a través de la película de vapor se vuelve más significativa y el aumento de temperatura hace aumentar el flujo de calor por radiación. El flujo de calor mínima de una placa horizontal de gran tamaño puede obtenerse de la ecuación de Zuber,

donde las propiedades son evaluadas a temperatura de saturación. Constante Zuber, C es aproximadamente 0,09 para la mayoría de los líquidos a presiones moderadas.

Correlaciones empleadas en la transformación de calor.El coeficiente de transferencia de calor se puede aproximar utilizando la ecuación de Bromley,

Donde, es el diámetro exterior del tubo. El C constante de correlación es de 0,62 para los cilindros y las placas verticales horizonatal y 0,67 para las esferas. Propiedades de vapor se evalúan en temperatura de la película. Por película estable hirviendo sobre una superficie horizontal, Berenson ha modificado la ecuación de Bromley a ceder,

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Para tubos verticales, Hsu y Westwater han correlacionado la siguiente ecuación,

Cuando, m es la tasa de flujo de masa en el extremo superior del tubo A temperaturas por encima de ese exceso en el flujo de calor mínimo, la contribución de la radiación se convierte en apreciable y se convierte en dominante a altas temperaturas en exceso. El coeficiente de transferencia de calor total puede ser tanto, es una combinación de los dos. Bromley ha sugerido las siguientes ecuaciones para ebullición ebullición de la película de la superficie exterior de los tubos horizontales.

Si

,

El coeficiente de radiación efectiva,

Donde,

se puede expresar como,

es la emisividad de la sólida y es la constante de Stefan-Boltzmann.

Utilidades.Según el estudio, la supresión de la fase de burbujeo podría ayudar a reducir el daño que sufren las materiales que se emplean en la industria, e incluso las explosiones. Esto es especialmente relevante en las plantas de energía nuclear. “Además, el trabajo puede ayudar al desarrollo de tecnologías que, mediante superficies superhidrófobicas, reduzcan la fricción de sólidos que se mueven en líquidos o en la fabricación de recubrimientos especiales”, explica otro de los autores, Neelesh Patankar, de la Universidad del Noroeste (EE UU). Los resultados también muestran que, por el contrario, las superficies ‘superhidrófilicas’ (con afinidad por el agua) mantienen la fase de ebullición burbujeante hasta temperaturas muy altas, aumentando la velocidad de transferencia de calor de forma significativa. Estos descubrimientos se podrían aplicar para controlar otras fases de transición, no sólo la de líquido a capa de vapor, también de líquido a sólido (como sucede con el agua y el hielo) y de gas a sólido, como ocurre en la formación de escarchas.

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE Una de las líneas de investigación del equipo es mantener la lámina de vapor cerca de un sólido a temperatura ambiente. “Si esto fuera posible, en teoría, podríamos cubrirnos con un revestimiento, saltar a la piscina y mantenernos secos bajo el agua”, plantea Patankar. Otras posibles aplicaciones se dirigen al desarrollo de nuevos materiales o texturas que ofrezcan menos resistencia o que actúen contra la formación de hielo o escarcha en los aviones, además de intercambiadores de calor más eficientes e incluso recolectores de rocío que acumulen agua en zonas semiáridas. (Fuente: SINC)

OBSERVACIONES.1. Fue necesario tomar medidas de seguridad en los dos experimentos, ya que en ambos existía el riesgo de quemaduras. 2. El segundo experimento (efecto Leidenfrost en las manos) fue bastante llamativo porque la piel entraba en contacto con fuego sin producir daño. Esto se debe a que la mezcla con aerosol provoca una capa protectora que es consumida por el fuego inicialmente antes de llegar a la piel. 3. El fenómeno mencionado en el punto 2 es efímero, por lo que si se desease aplicar a una escala mayor (por ejemplo armamento) sería necesaria una mezcla muy consistente y perdurable.

CONCLUSIONES.En conclusión, el efecto Leidenfrost es un fenómeno físico que brinda protección temporal a un material, generalmente contra la transmisión de calor. Esta protección puede aplicarse a muchos campos, como ser medicina, armamento, mantenimiento de maquinaria, etc., por lo que su manejo debe realizarse con conciencia y para beneficio de la sociedad. Por otro lado, un manipuleo erróneo puede provocar perjuicios considerables.

CUESTIONARIO. ¿Cuál es la aplicación del efecto Leidenfrost? Según el estudio, la supresión de la fase de burbujeo podría ayudar a reducir el daño que sufren las materiales que se emplean en la industria, e incluso las explosiones. Esto es especialmente relevante en las plantas de energía nuclear. Estos descubrimientos se podrían aplicar para controlar otras fases de transición, no sólo la de líquido a capa de vapor, también de líquido a sólido (como sucede con el agua y el hielo) y de gas a sólido, como ocurre en la formación de escarchas. Una de las líneas de investigación del equipo es mantener la lámina de vapor cerca de un sólido a temperatura ambiente. “Si esto fuera posible, en teoría, podríamos cubrirnos con un revestimiento, saltar a la piscina y mantenernos secos bajo el agua”, plantea Patankar de la Universidad del Noroeste (EE UU).

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE En la física nuclear y en la astrofísica: el universo se compone de materia y antimateria, las cuales al entrar en contacto causan una explosión. En 1967 el sueco Oskar Kein sugirió que para que los antimundos puedan coexistir se necesitaría la variante cósmica de Leidenfrost.

BIBLIOGRAFÍA.1. http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/15585404/Efecto-Leidenfrost.html 2. http://users.df.uba.ar/acha/Lab4/Leidenfrost2.pdf 3. http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Leidenfrost

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