Hoge temperatuur bereiken om Leidenfrost effect om te keren
-
Beste TU Delft,
Ik zou voor mijn profielwerkstuk graag het Leidenfrost effect willen omkeren. Het effect beschrijft dat als een vloeistof in contact komt met een oppervlakte van hoge temperatuur, damp van de vloeistof een soort isolerende laag vormt tussen beide substanties. De gebruikelijk toepassing hiervan is water in een erg hete pan doen, zodat het laagje damp het water laat 'zweven' boven de pan. Maar, je kan dit ook omkeren. Ik zou graag een metalen bal tot hete temperaturen willen brengen en die in water laten vallen. Volgens het Leidenfrost effect zou er dan een laag waterdamp om de bal contact met het water verminderen waardoor de weerstand sterk afneemt en de bal sneller valt. De hoogste temperatuur die ik de bal zou willen geven is duizend graden Celsius. Om dit veilig te kunnen doen en de hoge temperatuur accuraat te meten is de juiste apparatuur nodig. Beschikt TU Delft hierover, en zou ik die mogen gebruiken om mijn experiment uit te voeren? Zo ja, met wie zou ik contact kunnen opnemen om hier verder op in te gaan?
Met vriendelijke groet,
Noè Schaeffer -
Hoi @noè,
Wat een interessant onderwerp!
Ik zou wat navraag voor je kunnen doen binnen de faculteit, maar vaak zijn onderzoeksgroepen erg terughoudend als het gaat om experimenten die mogelijk gevaarlijk zijn. En ik denk dat jouw experiment daar ook onder valt.Ook denk ik dat het niet zo ingewikkeld is om dit experiment op school uit te voeren, door simpelweg met een gasbrander een metalen balletje op te warmen. Echter zul je de duizend graden Celsius hiermee waarschijnlijk niet bereiken, maar met stappen van 50 graden Celsius zul je tussen 200 en 600/700 graden Celsius ook al genoeg datapunten hebben om het verband te zien. Eventueel kun je dit ook nog proberen bij vloeibare stikstoftemperatuur (-200 graden Celsius), hierbij treedt het Leidenfrost effect namelijk ook op. Binnen het Science Centre hebben we beschikking over vloeibare stikstof, dus als je met je opstelling naar Delft komt, kan ik je daarmee helpen.
Voor wat betreft het meten van de temperatuur zou ik proberen te kijken naar de intensiteit van de straling die wordt uitgestraald. Met behulp van de wet van Stefan-Boltzmann geeft dit een vrij goede benadering van de temperatuur.
Het meten van de valsnelheid kun je doen met behulp van videometen (hoge snelheidscamera) of met behulp van geluid. Als je namelijk een metalen plaatje op de bodem legt, zul je een geluid kunnen meten op het moment dat de metalen bol het plaatje raakt. Als je een manier bedenkt waarop het laten vallen van de bol ook geluid maakt, kun je hiermee de valtijd heel nauwkeurig berekenen.Hopelijk heb ik je hiermee wat op weg kunnen helpen en wat van je vragen kunnen beantwoorden. Als je nog meer vragen hebt hoor ik het graag, of als je een keer wilt videobellen om in wat meer detail feedback te krijgen op je opgestelde methode is dat natuurlijk ook mogelijk!
Groetjes,
Lennard -
Hallo @lennardd,
Wat ontzettend fijn dat TU Delft hier open voor staat!
Ik kan zeker genoeg datapunten krijgen met een temperatuur van 600-700 graden celsius, maar ik heb in onderzoeksverslagen gezien dat er iets erg interessant gebeurt bij een temperatuur daarboven. Volgens hen zal de snelheid na een bepaalde temperatuur (850-950 graden) juist weer áfnemen, waarschijnlijk door turbulentie van teveel damp. Daar ben ik heel nieuwsgierig naar.
Het is erg fijn dat Delft beschikking heeft over vloeibare stikstof. In dat geval zou ik graag de bal daar in willen laten vallen, op temperaturen van -200 tot 600 graden. Dan kan ik namelijk die snelheidsvermindering bereiken zonder dat de bal rond de 1000 graden hoeft te zijn, omdat de Leidenfrost-temperatuur van stikstof veel lager is dan dat van water. Zou dat kunnen?Ik woon in Indonesië. Ik ben in mijn zomervakantie, in Juli, even terug in Nederland. Zou ik dan in de eerste week van Juli naar Delft kunnen komen om dit uit te voeren? Wat moet ik voorbereid hebben als dat kan?
Wat ik voor eenvoudigheid een profielwerkstuk noemde is trouwens het Extended Essay van het IB-programma.Met vriendelijke groet,
Noè Schaeffer -
Hey @Noè,
Dat is interessant om te horen, van het verschijnsel boven de 850 graden Celsius had ik nog nooit gehoord! In juli en augustus is het eigenlijk vakantie op de TU, maar ik kan in de eerste week van juli wel een gaatje vrijmaken om het experiment met jou uit te voeren. Het is alleen wel belangrijk om er rekening mee te houden dat vloeibare stikstof alleen beschikbaar is op -200 graden Celsius. Hoger dan deze temperatuur wordt het weer gasvormig en zal het Leidenfrost effect dus niet meer waarneembaar zijn. Het laten vallen in vloeibare stikstof op temperaturen -200 tot 600 graden Celsius zal daarom niet lukken.
Verder raad ik aan om eens wat experimentjes te doen met het opwarmen van een metalen bal. Hoe warm kun je het nu echt krijgen? Mijn 600/700 graden Celsius was een schatting die je gemakkelijk kunt halen, maar de vlam van de in scholen veel gebruikte Bunsen brander kan in de maximale stand 1400/1500 graden Celsius bereiken. De vraag is dan wel of het ook mogelijk is om hiermee een metalen bal voldoende te verwarmen tot ca. 1000 graden Celsius.
Als je dit deel van de experimenten in Indonesië uitvoert, kunnen we in juli het experiment nog een keer uitvoeren bij -200 graden Celsius en kijken welke verschijnselen we dan zien. Hopelijk heb ik je hiermee kunnen helpen, maar als je verder nog vragen hebt, dan hoor ik het graag!
Groetjes,
Lennard -
Hallo @lennardd,
Erg fijn dat ik in Juli langs kan komen. Ik zal wat experimenteren met de bal op verschillende temperaturen krijgen. Wat moet ik nog meer voorbereiden?
Ik begrijp dat de stikstof alleen vloeibaar is bij -200 graden. Ik wil de stikstof ook niet van temperatuur veranderen, maar ik wil de hete bal in het stikstof laten vallen in plaats van in water, omdat de Leidenfrost-temperatuur van stikstof erg laag is. Dan zou ik de bal dus bijvoorbeeld op temperaturen van -200, -180, -160, -150, -140, -120, -100, -50, 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 en 600 graden Celsius in vloeibaar stikstof laten vallen. Ik hoef dan niet meer boven de 600 graden te komen omdat de snelheidsvermindering die in water plaatsvindt bij circa 1000 graden waarschijnlijk al veel eerder gebeurt in stikstof. Kan dat?
Met vriendelijke groet,
Noè -
Hey @Noè,
Ik snap wat je bedoelt, goed idee! Wat je hiervoor verder nog moet voorbereiden is een methode om de tijd te meten, een methode om de temperatuur te meten en een bal die je wilt opwarmen samen met een bakje waar je deze in wilt laten vallen. Eigenlijk zou ik gewoon het hele experiment al uitvoeren met water en kijken waar je tegenaan loopt. In juli kunnen we dan precies hetzelfde experiment nogmaals uitvoeren met stikstof om zo grotere temperatuurverschillen te bereiken. Hou er wel rekening mee dat we geen liters stikstof gaan gebruiken, dus dat een bakje met een paar honderd milliliter per keer het maximum is. Dit zal dus ook invloed hebben op de tijd waarop het Leidenfrost effect meetbaar is.
Hopelijk heb ik je hiermee kunnen helpen, maar als je verder nog vragen hebt, hoor ik het graag!
Groetjes,
Lennard -
Beste @lennardd,
Het lijkt mij een heel goed idee om alvast het experiment uit te voeren met water. Dat zal ik zeker doen.
Ik zou ongeveer tien verschillende temperaturen van de bal willen testen, met drie beproevingen per keer. Als ik dan elke keer de bal in 100 ml aan vloeibare stikstof zou laten vallen, heb ik dus tenminste 3 liter nodig, exclusief de stikstof nodig om de bal te verkoelen. Is zo'n grote hoeveelheid stikstof acceptabel? Ik weet de precieze hoeveelheden nog niet zeker, maar ik vraag het alvast even om zeker te weten dat het kan.
Groetjes,
Noè -
Hoi @Noè,
Die hoeveelheid stikstof kan ik zeker regelen! Mocht het afkoelen van de bal nu plotseling toch veel stikstof kosten, dan kunnen we altijd nog besluiten om wat metingen die waarschijnlijk niet zo interessant zijn 2x te meten i.p.v. 3x, maar ik ga er van uit dat dit niet nodig zal zijn. Succes met de voorbereidingen!
Groetjes,
Lennard -
Hallo @lennardd,
Om niet te veel vloeibare stikstof te gebruiken maar toch de bal ver te kunnen laten vallen zou ik graag een dunne buis willen gebruiken. Die buis moet natuurlijk ook doorzichtig zijn zodat de val van de bal kan videometen. Ook moet het materiaal van de buis grote temperatuurverschillen moeten aankunnen: het moet -200 graden vloeibare stikstof kunnen vasthouden terwijl er gelijktijdig een 600 graden metalen bal doorheen valt. Heeft TU Delft een dergelijke buis? Zo ja, hoe wijd is die? Ik zou graag die afmeting willen weten zodat ik ervoor kan zorgen dat de metalen bal klein genoeg is om er doorheen te kunnen.
Groeten,
Noè -
Hey @Noè,
Een stevige stalen buis uit de bouwmarkt is daar waarschijnlijk al goed genoeg voor, koper werkt vast ook. Ik zou daarom aanraden om deze zelf te kopen, zodat je het experiment al op school kunt uitvoeren met water. Wel oppassen voor je handen, want een metalen buis geleidt de warmte erg goed ;)
Laat maar weten als je verder nog vragen hebt!
Groetjes,
Lennard -
Hallo @lennardd,
Ik denk inderdaad dat een metalen buis de temperatuurverschillen aankan, maar het probleem is dat het niet doorzichtig is. Om te berekenen hoe de waterweerstand afneemt wil ik de bal videometen terwijl die door de buis valt. Heb jij toevallig een voorstel voor een buis die ook deze eigenschap heeft?
Trouwens, hoe kan ik ervoor zorgen dat als ik het vloeibare stikstof in de buis giet op kamertemperatuur het niet meteen verdampt?
Groetjes,
Noè -
Hoi @Noè,
Een doorzichtige buis wordt wel wat lastig. Glas zou ik niet durven gebruiken door het gevaar dat dit barst, terwijl plastic ook niet handig is als je er een balletje van 600 graden Celsius doorheen laat vallen. Je zou eens wat kunnen experimenteren met een doorzichtige kunststof buis en kijken of het mogelijk is om het balletje zo te laten vallen dat het sowieso niet de wand raakt. Als je dit een aantal keer herhaalt, kun je ook zien wat de invloed van het balletje is op het plastic als het dit raakt (misschien is de tijd van contact wel zo kort dat dit de buis nauwelijks beschadigt).
Mocht de buis hier wel flink door beschadigen, kijk dan naar een andere manier van meten. Een optie is bijvoorbeeld door een metalen plaatje op de grond neer te leggen en het geluid te meten, zo kun je horen wanneer het balletje metaal raakt en zo de valtijd bepalen. Maar videometen zou inderdaad wel beter zijn, doordat je het verschil in snelheid binnen en buiten de buis kunt vergelijken.
Tenslotte goed punt over het verdampen van stikstof! Dit zal inderdaad een beetje verdampen, maar daar kun je rekening mee houden door iets meer stikstof in de buis te gieten. Dan heb je een marge waar iets van kan verdampen.
Hopelijk heb ik je hiermee kunnen helpen, maar als je verder nog vragen hebt, hoor ik het graag. Veel succes!
Groetjes,
Lennard
