Efek Leidenfrost

Efek Leidenfrost adalah fenomena fisika di mana suatu cairan sedang berdekatan dengan permukaan materi yang secara signifikan jauh lebih panas (atau dengan kata lain suhunya jauh lebih tinggi) daripada titik didih cairan tersebut sehingga menghasilkan lapisan uap yang kemudian mengisolasi cairan tersebut dari materi panas agar tidak mendidih dengan cepat. Karena "kekuatan repulsif" ini, tetesan terlihat melayang di atas permukaan daripada langsung melakukan kontak fisik dengan materi panas. Fenomena ini paling sering terlihat saat memasak, yaitu saat meneteskan air dalam panci untuk mengukur suhunya. Jika suhu panci berada di atau di atas titik Leidenfrost, air bergerak dengan cepat melintasi panci dan memakan waktu lebih lama untuk menguap daripada panci yang suhunya berada di bawah titik Leidenfrost (namun masih di atas titik didih).

Tetesan Leidenfrost

Demonstrasi efek Leidenfrost

Efeknya juga bertanggung jawab untuk kemampuan nitrogen cair untuk bergerak dengan cepat di lantai.

Fenomena ini juga telah digunakan dalam beberapa demonstrasi yang berpotensi berbahaya, seperti mencelupkan jari basah ke dalam cairan timbal. atau meniup keluar semulut penuh nitrogen cair, keduanya dilakukan tanpa cedera pada demonstran. Yang terakhir ini berpotensi mematikan, terutama jika seseorang secara tidak sengaja menelan nitrogen cair.

Efek ini dinamai dari Johann Gottlob Leidenfrost, yang membahasnya dalam A Tract About Some Qualities of Common Water pada tahun 1756.

Rincian

Klip video yang mendemonstrasikan efek Leidenfrost

Eksitasi pada modus normal pada setetes air selama efek Leidenfrost

Efeknya bisa dilihat sebagai tetes air yang ditaburkan ke panci pada berbagai waktu saat memanas. Awalnya, karena suhu panci berada di bawah 100 °C (212 °F), air secara merata dan perlahan menguap, atau jika suhu panci jauh di bawah 100 °C (212 °F), air tetap cair. Seiring suhu panci berada di atas 100 °C (212 °F), tetesan air mendesis saat menyentuh panci dan tetesan ini menguap dengan cepat. Kemudian, karena suhu melebihi titik Leidenfrost, efek Leidenfrost ikut bermain. Pada kontak dengan panci, tetesan air bermuara ke dalam bola kecil air dan skitter di sekitar, tahan lebih lama daripada saat suhu panci lebih rendah. Efek ini bekerja sampai suhu yang jauh lebih tinggi menyebabkan tetesan air lebih lanjut menguap terlalu cepat sehingga menyebabkan efek ini.

Hal ini karena pada suhu di atas titik Leidenfrost, bagian bawah tetesan air menguap segera pada kontak dengan piring panas. Gas yang dihasilkan menahan sisa tetesan air di atasnya, mencegah kontak langsung lebih jauh antara air cair dan piring panas. Karena uap telah jauh lebih buruk konduktivitas termal, perpindahan panas lebih lanjut antara panci dan tetesan melambat secara dramatis. Hal ini juga berakibat pada penurunan yang bisa meluncur di sekitar panci pada lapisan gas di bawahnya.

Perilaku air di atas pelat panas. Grafik menunjukkan perpindahan panas (fluks) vs suhu. Efek Leidenfrost terjadi setelah transisi perebusan.

Suhu di mana efek Leidenfrost mulai terjadi tidak mudah diprediksi. Bahkan jika volume tetesan cairan tetap sama, titik Leidenfrost mungkin sangat berbeda, dengan ketergantungan yang rumit pada sifat permukaan, dan juga kotoran pada cairan. Beberapa penelitian telah dilakukan menjadi model teoretis sistem, tetapi cukup rumit.

Efeknya juga dijelaskan oleh perancang pendidih uap Victoria terkemuka, Sir William Fairbairn, yang mengacu pada pengaruhnya terhadap perpindahan panas secara massal dari permukaan besi panas ke air, seperti di dalam pendidih. Dalam sepasang ceramah tentang desain pendidih, Dia mengutip karya Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) dan Profesor Bowman dari King's College, London dalam mempelajari ini. Setetes air yang segera diuapkan pada suhu 168 °C (334 °F) tahan selama 152 detik pada suhu 202 °C (396 °F). Suhu yang lebih rendah dalam pendidih firebox mungkin menguapkan air lebih cepat sebagai hasilnya; Bandingkan efek Mpemba. Pendekatan alternatif adalah menaikkan suhu di luar titik Leidenfrost. Fairbairn menganggap ini juga, dan mungkin telah merenungkan pendidih uap, tetapi menganggap aspek teknis tidak dapat diatasi untuk saat ini.

Titik Leidenfrost juga bisa dianggap sebagai suhu dimana tetesan melayang berlangsung paling lama.

Telah ditunjukkan bahwa adalah mungkin untuk menstabilkan lapisan uap Leidenfrost air dengan memanfaatkan permukaan superhidrofobik. Dalam kasus ini, setelah lapisan uap terbentuk, pendinginan tidak pernah meruntuhkan lapisan, dan tidak ada nukleasi mendidih yang terjadi; Lapisan malah perlahan rileks sampai permukaannya mendingin.

Efek Leidenfrost telah digunakan untuk pengembangan spektrometri massa ambien dengan sensitivitas tinggi. Di bawah pengaruh kondisi Leidenfrost, tetesan yang mengambang tidak melepaskan molekul dan molekulnya diperkaya di dalam tetesan. Pada saat terakhir penguapan tetesan semua molekul yang diperkaya dilepaskan dalam domain waktu singkat dan dengan demikian meningkatkan sensitivitasnya.

Sebuah mesin panas berbasis efek Leidenfrost telah dibuat prototipenya. Alat ini memiliki keunggulan gesekan yang sangat rendah.

Lihat pula

• Fluks panas kritis
• Efek Mpemba
• Pendidihan nukleat
• Paradoks region-beta

Referensi

1. Willey, David (1999). "The Physics Behind Four Amazing Demonstrations". Skeptical Inquirer. 23 (6). Diakses tanggal 11 October 2014. 
2. Walker, Jearl. "Boiling and the Leidenfrost Effect" (PDF). Fundamentals of Physics: 1–4. Diakses tanggal 11 October 2014. 
3. . Worcester Polytechnic Institute. 20 January 1999. Diarsipkan dari versi asli tanggal 22 February 2014. Diakses tanggal 11 October 2014. 
4. Bernardin, John D.; Mudawar, Issam (2002). "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point". Journal of Heat Transfer. 124 (5): 864–74. doi:10.1115/1.1470487. 
5. William Fairbairn (1851). Two Lectures: The Construction of Boilers, and on Boiler Explosions, with the means of prevention. ^{[halaman dibutuhkan]}
6. Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th edition.^{[halaman dibutuhkan]}
7. Vakarelski, Ivan U.; Patankar, Neelesh A.; Marston, Jeremy O.; Chan, Derek Y. C.; Thoroddsen, Sigurdur T. (2012). "Stabilization of Leidenfrost vapour layer by textured superhydrophobic surfaces". Nature. 489 (7415): 274–7. Bibcode:2012Natur.489..274V. doi:10.1038/nature11418. PMID 22972299. 
8. Subhrakanti Saha, Lee Chuin Chen, Mridul Kanti Mandal, Kenzo Hiraoka (March 2013). "Leidenfrost Phenomenon-assisted Thermal Desorption (LPTD) and Its Application to Open Ion Sources at Atmospheric Pressure Mass Spectrometry". Journal of The American Society for Mass Spectrometry. 24: 341–7. Bibcode:2013JASMS..24..341S. doi:10.1007/s13361-012-0564-y. PMID 23423791. Pemeliharaan CS1: Menggunakan parameter penulis (link)
9. Wells, Gary G.; Ledesma-Aguilar, Rodrigio; McHale, Glen; Sefiane, Khellil (3 March 2015). "A sublimation heat engine". Nature Communications. 6: 6390. Bibcode:2015NatCo...6E6390W. doi:10.1038/ncomms7390. PMC 4366496 . PMID 25731669. Diakses tanggal 5 March 2015. 

Pranala luar

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Efek Leidenfrost.

• Esai mengenai efek dan demonstrasi oleh Jearl Walker (PDF)
• Situs dengan video berkecepatan tinggi, gambar dan film penjelasan tentang pendidihan oleh Heiner Linke di University of Oregon, USA
• "Scientists make water run uphill" oleh BBC News mengenai penggunaan efek Leidenfrost untuk pendinginan chip komputer.
• "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
• Jeffrey, Colin (10 Maret 2015). "Engine running on frozen carbon dioxide may power mission to Mars". Gizmag. Diakses tanggal Maret 2015.  Periksa nilai tanggal di: |access-date= (bantuan)
• "The Leidenfrost Effect on BBC's QI"