4.6. Капли на горячей сковородке, пальцы в расплавленном свинце

Если нагреть сковородку до температуры чуть выше точки кипения воды, а затем капнуть на нее несколько капель воды, они растекутся по дну и через несколько секунд с шипением испарятся. Удивительно, но, если сильнее разогреть сковороду (выше 200°C), из капель образуются небольшие шарики, которые могут просуществовать несколько минут. Как такое может быть, если температура сковородки гораздо выше? Этот эффект называют эффектом Лейденфроста в честь немецкого ученого Иоганна Готлиба Лейденфроста, исследовавшего его в 1756 году. Заметим, что еще раньше этот же феномен наблюдал нидерландский естествоиспытатель Герман Бургаве, но его работа недостаточно широко известна.

Наблюдая, как на сковородке «танцуют» свернувшиеся в шарики капли, можно заметить, что совсем маленькие капельки вибрируют, принимая различные геометрические формы. Фотографируя со вспышкой, можно их рассмотреть, а установившиеся колебания — «заморозить», используя стробоскоп, излучающий свет короткими периодическими вспышками. Капли большего размера медленно двигаются по сковородке наподобие амеб. Время от времени и из больших, и из маленьких капель с громким шипением вырывается пар. Почему так происходит?

Связан ли эффект Лейденфроста со старинным способом определения температуры утюга перед началом глажки: утюг надо потрогать пальцем, предварительно поплевав на него? Почему, коснувшись на мгновение горячего металла, мы не обжигаем палец?

Начиная с 1974 года я с завидным постоянством показываю студентам один и тот же фокус: сначала я быстро погружаю пальцы в воду, а затем — в расплавленный свинец, температура которого составляет примерно 400°C. Как воде удается спасти мои пальцы? Однажды я по глупости забыл о воде. Дотронувшись до жидкого металла, я немедленно осознал свою ошибку: боль была мучительной.

Прежде чем продолжить, я должен предупредить, насколько такой опыт опасен. Конечно, дотронувшись до расплавленного свинца, можно обжечь пальцы, а если тигель перевернется, расплескавшийся горячий свинец может попасть на тело. Однако есть еще две не столь очевидные опасности. Если температура свинца близка к температуре плавления, он может затвердеть, если к нему поднести гораздо более холодные мокрые пальцы. Тогда вокруг пальцев свинец может затвердеть. В этом случае температура свинца, а вскоре и ваших пальцев, окажется около 328°C. Другая опасность связана с тем, что воды на пальцах может оказаться слишком много. В этом случае вода будет испаряться так активно, что при ее расширении вверх взметнутся брызги жидкого свинца. Однажды подобный взрыв сильно обжег мне лицо и руки.

Роберт Рурк в своем бестселлере «Нечто ценное» тоже обыгрывает эффект Лейденфроста. Чтобы определить, кто из двоих мужчин лжет, вождь племени предлагает им лизнуть раскаленный нож: у человека, говорящего неправду, язык от страха пересохнет, и он обожжется, а у того, кто говорит правду, язык останется влажным, и ему нечего опасаться. Названия этого эффекта вождь племени не знал, но суть его понимал.

Если на плоскую поверхность вылить жидкий азот, капли жидкости будут вести себя так же, как и капли воды на раскаленной сковородке. Хотя температура жидкого азота –196°C и он, как кажется, должен был бы немедленно испариться, какое-то время он продолжает оставаться жидким. Как это связано с эффектом Лейденфроста?

Часто жидкий азот используют для демонстрации научных опытов. В жидкий азот погружают цветок, а когда температура цветка сравняется с температурой жидкости, его вынимают и бросают на стол. Замерзший цветок настолько хрупок, что от удара разбивается вдребезги на мелкие осколки.

Уже много лет я показываю опыт с цветком своим студентам. Затем, после короткой театральной паузы, подношу сосуд с жидким азотом к губам и выливаю большую порцию себе в рот. Затем осторожно, чтобы не проглотить азот, выдыхаю воздух так, чтобы он прошел сквозь жидкость. В этот момент я похож на дракона, изрыгающего столб дыма. Почему мой язык не разваливается на кусочки, как цветок?

И здесь есть несколько опасных моментов. Когда я подношу сосуд с жидким азотом к губам, они иногда примерзают к его металлическому краю. В этих местах на губах появляются волдыри. Более серьезная опасность — инстинктивное желание проглотить то, что попало в рот. Если бы я это сделал, то серьезно повредил бы и гортань, и желудок, которые достаточно долго подвергались бы воздействию сначала очень холодной жидкости, а затем и испарившегося холодного газообразного азота.

При последней демонстрации этого опыта я неожиданно столкнулся с затруднением, которое заставило меня его прекратить. По-видимому, то ли холодная жидкость, то ли холодный газ так понизили температуру моих зубов, что связанные с этим механические напряжения разрушили эмаль на двух из них. В тот момент я ничего не заметил, но при следующем осмотре дантиста выяснилось, что мои зубы покрылись мелкими трещинками. Врач убедил меня прекратить подобные эксперименты.

ОТВЕТ • Капля воды, попадающая на горячую металлическую поверхность, температура которой меньше 200°C, сразу растекается и быстро с шипением испаряется. Но если температура больше, капля не растекается. Когда она достигает поверхности металла, часть воды внизу капли мгновенно превращается в пар. Из водяного пара образуется тонкая подушка, на которой покоится оставшаяся часть капли. По мере того как испаряется жидкость внизу капли, эта подушка непрерывно пополняется паром. До тех пор, пока нет прямого контакта капли и поверхности металла, она медленно нагревается за счет конвекции через пар и тепла, излученного поверхностью металла. Поэтому такая плавающая капля может существовать достаточно долго.

Когда я погружаю мокрые пальцы в расплавленный металл, часть или даже вся жидкость сразу превращается в пар, и мгновенно мои пальцы оказываются защищенными перчаткой из пара. И опять же, пар замедляет передачу тепла от жидкости. Если бы моей кожи касался свинец, передача тепла происходила бы так быстро, что даже легчайшее касание привело бы к ожогу. Если мокрым пальцем коснуться твердой поверхности раскаленного металла, тоже образуется слой пара и касание происходит без трения. Один кузнец мне рассказывал, что благодаря отсутствию трения он успевает сбросить кусочки горячего металла, случайно попадающие на его голую потную руку. Если реагировать только на болевые ощущения, сигнал поступает слишком поздно и сильный ожог неизбежен.

Когда жидкий азот выливают на поверхность, скажем, в рот, часть жидкости снизу мгновенно превращается в пар, который поддерживает слой оставшейся жидкости и обычно не допускает прямого контакта с поверхностью. В результате конвекции и излучения тепло медленно, не так быстро, как при прямом контакте, отводится от поверхности.

Когда горячий кусочек металла падает в воду, имеет место обратный эффект Лейденфроста. Как только металл касается воды, он превращает ближайший слой воды в пар, окутывающий металл и замедляющий охлаждение. Когда температура металлической поверхности опускается ниже 200°C, вода впервые непосредственно соприкасается с поверхностью металла и начинает выкипать.