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액체질소에 손을 넣게 되면 손은 어떻게 될까?
보통 사고라면 액체질소의 온도는 -196°C정도로 매우 낮기 때문에 손이 얼어버릴거라고 생각할거다.
하지만, 실제는 다르지
일단 동영상을 하나 보자
분명히 손을 넣었다가 꺼냈는데도 손에 저온화상같은건 일어나지 않았지?
(금속판위에다가 물뿌리는건 조금있다가 설명할게)
어떻게 이런일이 일어날 수 있을까?
바로 라이덴 프로스트 현상(Leiden-Frost Effect)덕분이야.
그러면 라이덴 프로스트 효과라는게 무'슨' 효과일까?
라이덴 프로스트 효과의 사전적 정의는
주로 액체에서 일어나는 효과이며 접촉해있는 어떤 물체의 온도가 그 액체의 끓는점보다 훨씬 높을경우
액체와 접촉된 물체사이에서 액체가 빠르게 증발하며 형성한 기체가 액체와 물체사이에 일종의 '층'을 만들어
액체가 급격하게 끓어버리는것을 막아주는 효과야.
즉, 위 동영상에서 액체질소를 손에 넣었을때도 손이 얼지않고 멀쩡한 이유는
액체질소에 비해 손이 너무나도 뜨겁기 때문에 손과 닿은 질소가 빠르게 증발하면서
손과 액체질소사이에 얇은 질소층을 형성, 손과 액체질소가 닿는것을 막기 때문이지.
그렇다면, 위 동영상에서 뜨겁게 달군 금속표면위에서의 현상은 어떻게 봐야할까?
뭐, 당연하겠지만 이것도 손이 액체질소와 닿을때의 라이덴-프로스트 현상과 동일하다고 봐야해.
(상온과 상온, 극저온과 상온이라는게 다르긴하지만 적용되는 바는 같아)
동영상을 끝까지 본 게이라면 알겠지만 금속판이 충분히 뜨거워지기 전에 올려논 물은 금속판이 물의 끓는점에 도달하자 끓기 시작하다가
결국에는 증발해 버리지만
충분히 뜨거워진 금속판에 스포이드로 물을 방울방울 뿌리면 물이 마치 소수성표면에서 굴러가는것처럼 금속 표면을 빠져나가지?
이게 무슨일이냐,
바로 위의 사진같은 느낌이야.
사진에서 설명하는 것은 위에 물방울이 있고, 표면의 온도가 220°C 이상일경우 표면과 접촉한 물이 빠르게 증발하며 수증기와
물방울사이에 약 0.1mm수준의 작은 수증기 층을 형성하여 물이 공중에 떠다니게 된다는 거야.
그래서 물이 굴러다는것이지.
이 현상이 처음 기술된것은 철이 물로 옮겨가는 열을 줄이는 일을 연구하던 보일러 기술자 William Fairbairn에 의해서야.
그는 이 연구를 기술할때 Hippolyte Boutigny와 킹스대학교의 Bowman 교수의 일을 언급했는데,
위 사람들의 연구에서 그들은 168 °C에서 물이 매우 급격하게 증발하지만
202 °C정도에서 물이 라이덴-프로스트 효과에 의해 무려 152초를 견디는 것을 발견했어.
또한 이를 통해서
(참고로 위 그림에서 라이덴-프로스트 효과는 Transition Boiling후에 시작된다.)
1기압의 상태에서의 라이덴 프로스트 효과를 이용,
라이덴-프로스트 점에서 물방울이 안정하게 기체 막에 둘러싸이면 매우 안정된 상태가 유지된다는 점을 통해서 (위 사진 오른쪽 하단부)
초 소수성 표면의 연구에 기여하기도 했지.
즉, 정리하자면 라이덴 프로스트 현상은 어떤 액체가 그 액체의 끓는점보다 훨씬 높은 표면과 닿고 라이덴 프로스트 점을
(Transition Boiling 이후) 지나면 액체와 표면 사이에 급격하게 증발한 증기 층이 형성되어 물이 둥둥 떠다니게 해줄수 있다는 소리지.
그럼 마지막으로 첫번째 사진에 나와있는 걸 보여주는 동영상을 보고 끝내자.
아래의 현상을 니켈볼이 물보다 훨씬 뜨겁기 때문에 일어나는 현상이지
잘보면 니켈볼과 물 사이에 수증기 층이 있다가
니켈볼의 온도가 낮아짐에 따라 Transition Boiling 영역에 진입하여
물과 니켈볼이 접촉하는거야.
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