Se você já viu gotas de água dançarem e tremerem em uma panela ou chapa quente, você viu o efeito Leidenfrost em ação. Ou você pode ter visto o episódio “Mythbusters”, onde Adam e Jamie enfiaram seus dedos e mãos molhadas em chumbo derretido e os puxaram para fora ilesos.
O efeito depende do dedo estar molhado, por isso tem uma película de água sobre e ao redor dele. No chumbo derretido, esse filme de água ferve, criando vapor, que é um mau condutor de calor. Esse gás, que é vapor de água, isola o dedo por tempo suficiente para protegê-lo por um curto período de tempo quando mergulhado no chumbo derretido, a 328 graus Celsius (622 graus Fahrenheit) ou mais.
Da mesma forma, uma gota de água em uma placa quente evapora em sua borda inferior, criando uma almofada isolante que mantém a gota levitando como um líquido por um período surpreendente de tempo. Foi descrito pela primeira vez pelo médico alemão Johann Gottlob Leidenfrost em 1751.
Agora, um grupo de cientistas do México e da França publicou pela primeira vez os resultados de experimentos que mostram que duas gotas quentes de líquidos diferentes também podem ricochetear uma na outra devido ao efeito Leidenfrost entre elas. O grupo chama isso de efeito triplo Leidenfrost, uma vez que ambas as gotas já estão em uma placa quente experimentando seu próprio efeito Leidenfrost em relação à placa, e um efeito Leidenfrost adicional quando colidem e ricocheteiam uma na outra, desenvolvendo uma terceira almofada de vapor em a interface de colisão entre as gotas.
Nos experimentos, a placa de alumínio quente tinha uma superfície superior levemente côncava para manter as gotas em direção ao centro da placa. Para gotículas de água de 0,5 ml de volume (0,5 cc), as gotículas entraram no estado Leidenfrost a uma temperatura da placa de 210 graus Celsius. Nesse ponto, a gota durou cerca de 450 segundos (7,5 minutos) devido ao grande calor latente da água (a quantidade de calor necessária para mudar a água de um líquido para um gás a temperatura constante). Depois disso, a gota evaporou completamente e desapareceu, transformando-se em vapor de água.
Outros líquidos tinham diferentes temperaturas de Leidenfrost e tempos de duração: gotículas de etanol entraram no estado Leidenfrost a cerca de 150 graus Celsius e duraram cerca de 200 segundos, e clorofórmio a cerca de 150 graus Celsius por 100 segundos. A pesquisa foi realizada em Puebla, México, a cerca de 2.200 metros (7.218 pés, 1,37 milhas) acima do nível do mar, onde, por exemplo, o ponto de ebulição da água era de apenas 93 graus Celsius (199 graus Fahrenheit). Outras propriedades termodinâmicas podem ter ajustes semelhantes.
Depois que os pesquisadores determinaram as temperaturas Leidenfrost para 11 líquidos de baixa viscosidade, cada um com diferentes temperaturas de ebulição, eles depositaram duas gotículas de materiais diferentes na placa de alumínio quente com uma temperatura de 250 graus Celsius (482 graus Fahrenheit). Cada gota sofreu seu próprio efeito Leidenfrost com uma camada de vapor embaixo dela, levitando enquanto descia em direção ao centro da placa. Perto dali, as gotículas levitantes colidiriam.
Naquele instante, uma de duas coisas aconteceu: as gotículas coalesceram ou ricochetearam umas nas outras.
A coalescência acontecia em milissegundos se os líquidos fossem da mesma substância, como água-água, ou se tivessem propriedades semelhantes, por exemplo, etanol-isopropanol.
Nos casos mais interessantes, as gotas ricocheteavam umas nas outras. Isso aconteceu quando as gotículas eram de líquidos diferentes, por exemplo, água-etanol ou água-acetonitrila. Cada um levitava de seu próprio efeito Leidenfrost. Mas uma almofada de vapor também cercava cada gota de lado, então quando as gotas colidiam, havia uma almofada de vapor lá que impedia a fusão das gotas. De fato, a velocidade de rebote de uma gota às vezes pode ser maior do que sua velocidade de impacto, porque a pressão na camada de vapor entre as gotas foi aumentada pela camada Leidenfrost de ambas as gotas. Essa mesma camada de vapor é o que impediu a coalescência inicial.
As gotas menores ricochetearam repetidamente na gota maior durante vários segundos, às vezes minutos (veja o vídeo acima). Eventualmente, a gota menor mudou de uma forma de panqueca para uma forma esférica, quando sua camada de vapor foi evacuada durante o tempo de colisão e as gotas finalmente coalesceram. Filmar o processo em alta velocidade revelou que o diâmetro da gota menor diminuiu linearmente com o tempo antes de coalescer.
Apenas dois parâmetros determinaram as condições para coalescência direta ou ressalto: a diferença nas tensões superficiais entre os líquidos (a tensão superficial é uma propriedade inerente de um líquido, medida em força por unidade de comprimento) ou a diferença nas temperaturas de ebulição. Quando a diferença nos pontos de ebulição era grande, a gota menor poderia explodir violentamente, como no glicol-clorofórmio.
Outras dinâmicas baseadas no efeito Leidenfrost têm sido exploradas nos últimos anos, como a autopropulsão de gotículas, rotações sustentadas, oscilações e explosão de gotículas, sugerindo a possibilidade de manipulação do efeito Leidenfrost em gotículas para aplicações em engenharia e microfluídica. Este trabalho atual de entender como as gotas Leidenfrost de diferentes líquidos interagem adiciona outra dimensão às aplicações potenciais.
Publicado em 16/01/2022 16h46
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