Leidenfrost-Effekt

Kochender Wassertropfen auf heißer Herdplatte schwebt durch einen Dampffilm berührungslos darüber.

Mit dem Leidenfrost-Effekt, auch Leidenfrost-Phänomen genannt, ist der Effekt der auf heißem Untergrund springenden („tanzenden“) Tropfen gemeint, den Johann Gottlob Leidenfrost beschrieben hat.

Überblick

Dieses Phänomen wurde erstmals von Leidenfrost in Duisburg erforscht und wird in der Schrift De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus 1756 beschrieben. Die Schrift selbst fußt dabei auf der antiken, Empedokles (oder Aristoteles) zugeschriebenen Vier-Elemente-Lehre (Feuer, Wasser, Luft und Erde) und beabsichtigte, die Herstellung von Erde aus Feuer und Wasser zu belegen. Vermutlich „gelang“ Leidenfrost dieses Experiment, da er die gelösten Salze des harten Duisburger Wassers ausdampfte.

Noch heute wird, wenn auch wissenschaftlich erklärt, mit dem Leidenfrost-Effekt ein physikalischer Effekt beschrieben, der die verzögerte Stoffumsetzung, also die zeitlich gedehnte Änderung des Aggregatzustandes, beinhaltet. Dieser Effekt kann leicht bei einer heißen Herdplatte beobachtet werden, auf die man einen Tropfen Wasser fallen lässt. Ist die Temperatur der Oberfläche hoch genug, um eine rasche primäre Verdampfung zu erreichen, so schwebt oder gleitet der Wassertropfen auf einem Dampfpolster, das ihn von direkter Wärmeübertragung isoliert. Der Dampf ist dabei unter dem Wassertropfen gefangen und entweicht nur langsam. Gleichzeitig entsteht neuer Wasserdampf und der Tropfen gleitet so über dem heißen Material ähnlich einem Luftkissenfahrzeug.

Diese gasförmige Schutzschicht entsteht auch bei flüssigem Stickstoff, wenn dieser auf Gegenstände mit Zimmertemperatur trifft. Durch den Leidenfrost-Effekt ist es deshalb möglich, sich flüssigen Stickstoff (−196 °C) über die Hand laufen zu lassen oder die Hand für einen Augenblick einzutauchen, ohne sich zu verletzen. Es muss dabei aber sichergestellt sein, dass der Stickstoff überall ablaufen kann und sich nicht in Mulden sammelt. Gefahr besteht auch, wenn der flüssige Stickstoff Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. ein Ring am Finger) berührt. Hier besteht eine erhebliche Erfrierungsgefahr.

Einen unerwünschten Effekt bewirkt das Leidenfrost-Phänomen beim Härten von Metallen in einem flüssigen Medium wie Öl oder Wasser. Die angestrebte kurze Zeit zum Herabkühlen des Werkstückes verlängert sich durch die Dampfschicht zwischen Werkstück und Kühlmedium. Durch Zusätze zum Kühlmedium kann der Effekt bedingt beeinflusst werden.

Ein anderer Vorgang, bei dem der Leidenfrost-Effekt angeblich vor Verbrennungen schützen soll, aber tatsächlich keine Rolle spielt, ist das Laufen über glühende Kohlen.

In der Serie Mythbusters wurde erfolgreich das Eintauchen der mit Wasser angefeuchteten Finger in flüssiges Blei getestet, ohne Schaden davon zu tragen. Dies ist ebenfalls auf den Leidenfrost-Effekt zurückzuführen.

Weblinks

Commons: Leidenfrost-Effekt – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Jearl Walker: Boiling and the Leidenfrost effect. (PDF-Datei; 124 kB)
• Versuch 103: Das Leidenfrost Phänomen.
• Self-Propelled Droplets.