라이덴 프로스트 효과

<라이덴프로스트 효과>

I. Intro

 라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect)는 어떤 액체가 그 액체의 끓는점보다 훨씬 더 뜨거운 부분과 접촉할 경우 빠르게 액체가 끓으면서 증기로 이루어진 절연층이 만들어지는 현상이다. 이 효과는 존 고틀롭 라이덴프로스트가 그의 저서인 "A Tract About Some Qualities of Common Water"에서 처음 논의하면서 그의 이름을 따서 지어졌다.

II. Example

 이 효과는 달궈진 프라이팬에 물방울을 떨어트려 보는 것으로 확인할 수 있다. 처음에 프라이팬의 온도는 100℃ 직전이면 물은 퍼지면서 천천히 증발하며, 100℃에서 많이 낮은 경우에는 물은 액체 상태를 유지하고 있다. 팬의 온도가 100℃를 넘어서면 팬에 물방울이 닿을 때마다 쉬익 소리를 내면서 재빨리 증발한다. 이후, 팬의 온도가 라이덴프로스트 지점을 돌파하는 순간 라이덴프로스트 효과가 나타난다. 팬과 접촉한 물은 작은 공 모양으로 변하면서 주변으로 빠르게 움직이며, 이보다 낮은 온도에 있을 때보다 더 오랫동안 액체상태로 머무르게 된다. 이 효과는 너무 높은 온도에 노출된 물이 너무 빨리 증발하여 물방울 모양을 오랫동안 유지하게 된다.

 이 효과는 바닥에서 잽싸게 움직이는 액체 질소에서도 볼 수 있다. 또한, 이 효과는 액체 납이나 액체 질소를 손에 넣었다가 빼거나 입에 넣는 시연을 보여줄 때 사고가 일어나지 않는 이유를 설명해주기도 한다.

III. Principle

이 효과가 일어나게 되는 이유는 라이덴프로스트 지점 이상의 온도에서는 물방울의 바닥 부분이 순식간에 기화하기 때문이다. 이로 인해 생긴 증기는 바로 위의 물방울과 바닥 사이에 끼여 있게 되며, 물과 뜨거운 판 사이의 직접적인 접촉을 막게 된다. 증기는 열전도율이 매우 낮기 때문에 팬과 물방울 사이의 열전달은 매우 느려지게 된다. 또한, 증기층이 팬에서 미끄러지면서 물방울 또한 빠르게 움직이는 것처럼 보이게 된다. 대략적으로, 프라이팬에 떨어진 물방울의 라이덴프로스트 지점은 약 193℃이다.여기서 라이덴프로스트 지점은 안정한 막비등이 발생하는 지점으로, 이 때가 열유속에서 비등곡선상에 점이 최소인 때이며 표면이 완전히 증기로 덮여 있는 상태를 나타낸다. 액체 표면에서의 열전달은 증기를 통한 전도와 복사열을 통해 이루어진다. 1756년, 라이덴프로스트는 뜨거운 표면 위의 물이 증기 막의 보호를 받아 천천히 증발하면서 이리저리 움직이는 현상을 관찰했다. 표면의 온도가 증가하면서 증기막을 통한 복사열이 증가하며 온도 증가와 함께 열유속이 증가한다는 것을 밝혀냈다. 크고 수평인 판 위의 최소 열유속은 제베르(Zuber) 방정식으로 유도할 수 있다.