Icon up Overzicht

Leidenfrosteffect: zwevende druppels

Onderwerp: Gas en vloeistof

In dit artikel wordt een interessant fenomeen, het Leidenfrost effect, behandeld dat met zeer simpele middelen, te weten een pannetje, een druppel water en een verwarmingspitje, door iedereen thuis kan worden waargenomen.

De ontdekker en de ontdekking

Johann Gottlieb Leidenfrost

In 1756 publiceerde de Duitse arts Johann Gottlieb Leidenfrost een kleine tekst, De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus [1], waarin hij onder andere het naar hem vernoemde effect beschrijft. Hij liet een druppel water vallen op een roodgloeiende hete lepel. Tot zijn verbazing verdampte de druppel water echter niet, maar bleef het zo’n dertig seconden bestaan, schijnbaar onaangetast door de hitte van de lepel. Sindsdien wordt het effect waarbij water niet direct verdampt als het op een ondergrond wordt aangebracht, waarbij de temperatuur zich boven een bepaalde waarde bevindt, het Leidenfrost effect genoemd. Om een idee te krijgen van dit experiment kan men een metalen pannetje op een kookpitje zetten (doe dit niet zonder begeleiding). Als er nu water in de pan wordt gedruppeld zal men eerst waarnemen dat het water zich over de bodem van de pan uitspreidt en dan langzaam verdampt. Naarmate de pan heter wordt zullen de druppels gaan verdampen, dit zal steeds sneller gebeuren. Op een gegeven moment gaat het zelfs zo snel dat de druppel meteen bij contact met de bodem verdampt en hierbij sissende geluiden maakt. Bij een verdere verhitting van de pan zal het Leidenfrost effect optreden. In eerste instantie zal de druppel niet meer ogenblikkelijk verdwijnen, maar in kleinere druppeltjes rondspetteren op de bodem. Langzamerhand spetteren de druppels minder uiteen en blijven ze zweven op de bodem, de druppels zien er dan uit als bolletjes kwik. Deze zwevende waterdruppels kunnen soms wel minuten op de plaat blijven bestaan voordat ze geheel zijn verdampt.

Theorie en verklaring

Het enigszins mysterieuze verschijnsel is relatief makkelijk te verklaren. De druppel zweeft letterlijk op de plaat. Het wordt daarbij gedragen door een dunne laag waterdamp, zie figuur (1).

Een schematische voorstelling van de druppel op de hete plaat

Het effect zal alleen ontstaan als de temperatuur zo hoog is dat het bij de eerste aanraking met de plaat, direct een beschermend waterdamplaagje onder de druppel ontstaat. Waterdamp werkt hier als een isolator voor het overgebleven water in de druppel, er kan dus minder energietransport plaatsvinden van de plaat naar de druppel. De temperatuur waarbij de druppels voor het eerst beginnen te zweven wordt, niet geheel verrassend, de Leidenfrost temperatuur genoemd; voor water ligt deze temperatuur op ongeveer 210 °C. Bij een verdere verhitting van de plaat zal de overlevingstijd van de druppel langzaam afnemen, zie figuur (2).

De overlevingstijd van een waterdruppel als functie van de plaattemperatuur. Bij ongeveer 200 graden stijgt de overlevingstijd enorm, dit is het Leidenfrost punt. Bij verdere verhitting neemt de tijd weer af [2].

Filmpjes

Door enkele studenten van de Universiteit Twente, waaronder ikzelf, is het Leidenfrost experiment vastgelegd op een hogesnelheidscamera (500 tot 2000 frames per seconde) [3]. Op de site van onze vakgroep kun je de genoemde filmpjes in zijn geheel bekijken. Hieronder staan twee filmfragmenten. Het eerste filmpje laat zien hoe waterduppels zich gedragen net voor het Leidenfrost punt, de druppels lijken zich hier te gedragen als stuiterballen. In het tweede filmpje is een stabielere toestand zichtbaar, hier zweeft een druppel rustig boven de plaat.

Filmpje 1
Bekijk de film Net voor Leidenfrost punt

Filmpje 2
Bekijk de film Dansende druppel

De volledige versies van deze filmpjes zijn te bekijken op van de vakgroep deze site van de vakgroep Physics of Fluids van de Technische Universiteit Twente.

Leidenfrost en wetenschappelijk onderzoek

Vloeistoffysica op de Universiteit Twente (www.tn.utwente.nl/pof) hebben wetenschappers ontdekt dat korrels (granulaire materie) net als waterdruppels het leidenfrost effect kunnen ondergaan. Als een bak gevuld wordt met korrels en vervolgens in trilling wordt gebracht dan zullen er twee lagen ontstaan in de bak. Onderin de bak zal de dichtheid van korrels veel lager zijn dan vlak daarboven, zie het plaatje hieronder.

Het Leidenfrost effect bij korrels: ook nu ontstaat er een damp laagje onder de druppel [4].

Leidenfrost in het dagelijks leven

Het Leidenfrost effect komt men ook in het dagelijks leven af en toe tegen. Volgens sommige wetenschappers maakt het effect het mogelijk dat er over hete kolen kan worden gelopen, dit is echter zeer discutabel. In ieder geval wordt het effect vaak gebruikt om te kijken of een kookpan warm genoeg is. Het fenomeen is overigens niet alleen te zien bij water. Druppeltjes vloeibare stikstof vertonen al bij kamertemperatuur het leidenfrost effect. Jearl Walker, een docent aan de Cleveland State University, verbaast zijn publiek wel eens door zijn hand in een pan met vloeibaar lood te stoppen (helaas loopt dit ook wel eens minder goed af, zo heeft hij verschillende brandwonden aan handen en armen opgelopen). Doordat zijn handen beschermd worden door de gevolgen van het Leidenfrost effect zal er nu, in principe, geen verbranding optreden [2].

Bronnen bij dit artikel

[1] Voor een Engelse vertaling van zijn oorspronkelijk Latijnse traktaat: On the fixation of water in diverse fire, in Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 9 (1966) pp. 1153-1166.

[2] Het plaatje is afkomstig van een artikel van Jearl Walker, het artikel bevat daarnaast meer interessante informatie over koken in het algemeen en het Leidenfrost effect in het bijzonder. Als je artikel wilt lezen klik je op Boiling and the Leidenfrost Effect .

[3] Het experiment is uitgevoerd door Rik Groenen, Elbert van Putten, Erik Gelderblom en Ramy El-Dardiry. Een uitgebreidere beschrijving van het experiment en meer filmpjes zijn te vinden op deze site

[4] Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente.