XII. Ueber die Theorie des Leidenfrost'schen Versuchs und die Versuche von Boutigny; von Prof. H. Buff in Gießen. Im Auszug aus den Annalen der Chemie und Pharmacie, Jan. 1851, S. 1. Buff, über die Theorie des Leidenfrost'schen Versuchs und die Versuche von Boutigny. Die merkwürdige Eigenschaft des Wassers, auf glühendes Eisen gegossen, die Tropfenform zu behaupten und, auf der heißen Fläche herumrollend, auffallend langsam zu verdampfen, hat, seitdem diese Erscheinung vor fast 100 Jahren zuerst von Dr. Leidenfrost in Duisburg untersucht worden ist, fortwährend bis in die neueste Zeit die Aufmerksamkeit der Physiker beschäftigt. Es ist dadurch eine ziemlich reiche Litteratur über diesen Gegenstand entstanden, deren thatsächlicher Inhalt sich in dem Folgenden zusammenfassen läßt. Die Erscheinung zeigt sich nicht bloß auf Eisen, sondern kann auch auf Platten von Silber, Kupfer, Platin und anderen Metallen, ja selbst in Porzellan- und Glasschalen und wahrscheinlich auf Oberflächen aller Art, insofern sie nur heiß genug sind, erhalten werden. Doch sind die guten Leiter, insbesondere bei glatter, glänzender Oberfläche, am brauchbarsten dazu. Eine matte und rauhe Oberfläche ist zwar kein Hinderniß zum Gelingen des Versuchs, indessen erfordert sie eine stärkere Erhitzung. Obschon der Leidenfrost'sche Versuch in glühenden Gefäßen am leichtesten gelingt, so läßt er sich doch auf guten Leitern der Wärme mit glatter Oberfläche auch bei bedeutend niedrigerer Temperatur hervorbringen. So kann das Wasser auf schmelzendem Blei und auf erhitztem Quecksilber und ebenso leicht in Silber- und Platingefäßen, die man im Oelbade erhitzt hat, die Tropfenform annehmen. Außer dem Wasser eignen sich die verschiedenartigsten anderen Flüssigkeiten, chemisch reine und gemischte, farblose und gefärbte, ja selbst ganz undurchsichtige oder mit unlöslichen Theilen gemengte, zu dem Versuche. Nur darin müssen alle übereinstimmen, daß sie verdampfbar sind, wie Alkohol, Aether, flüchtige Oele, flüssige Säuren, alkalische und Salzlösungen, Brom, Jod, Quecksilber u. s. w. Mit fetten Oelen gelingt die Erscheinung nicht. Kleine Mengen der einen oder andern dieser Flüssigkeiten, in eine genügend heiße Schale gebracht, sammeln sich zu mehr oder weniger abgeplatteten Kugeln, die selten dauernd dieselbe Stelle behaupten, gewöhnlicher hin- und hergerissen werden und dabei, zwar fortwährend, aber sehr langsam verdampfen. Wird der Versuch mit einer größern Menge Flüssigkeit angestellt, so nimmt die ganze tropfenförmige Masse eine wallende Bewegung an, die jedoch mit der Erscheinung des Siedens gar nicht verwechselt werden kann. Denn wenn auch zuweilen Dampfblasen aufsteigen, so zeigt doch eine fortdauernd heftige Bewegung am Rande der Flüssigkeit, daß die an ihrer untern Fläche erzeugten Dämpfe vorzugsweise ringsum zwischen der glühenden festen und der flüssigen Fläche hervortreten. Die Temperatur des Leidenfrost'schen Tropfens, wie groß auch sein Umfang und wie stark die Glühhitze seiner Unterlage seyn mag, übersteigt niemals die Siedetemperatur der betreffenden Flüssigkeit und schwankt in der Regel einige Grade unter derselben. Bei kleineren Wassertropfen will man sogar ein Herabgehen der Temperatur bis zu 70° C. und darunter bemerkt haben. Je niedriger der Siedepunkt einer Flüssigkeit liegt, einer um so geringern Erhitzung der Platte bedarf es zum Gelingen des Versuchs. Die Beharrlichkeit, mit welcher Flüssigkeiten in Tropfenform mitten in einer glühenden Metallschale eine ihren Siedepunkt nicht übersteigende Temperatur (auch wenn diese unter dem Gefrierpunkte des Wassers liegt) beibehalten, hat besonders wieder in der neuesten Zeit die allgemeine Aufmerksamkeit auf das Leidenfrost'sche Phänomen gelenkt, nachdem es Boutigny gelungen war, in einer glühenden Schale Eis zu bilden, und nachdem Faraday in einem weißglühenden Platintiegel Quecksilber zum Gefrieren gebracht hatte. So häufig die Erscheinung der Tropfenbildung auf glühenden Platten untersucht worden ist, und so viele Physiker sich mit der Theorie derselben beschäftigt haben, so fehlt es doch noch immer an einer befriedigenden Erklärung dieses Verhaltens. Eine solche Erklärung wird hauptsächlich über zwei Punkte Rechenschaft zu geben haben. Einmal nämlich soll sie darthun: warum die bis zu einer gewissen Temperaturhöhe erhitzte Platte nicht mehr benetzt wird; dann, warum der nicht mehr zerfließende Tropfen von der heißen Platte in auffallendem Grade weniger Wärme aufnimmt. Um das Aufhören der Benetzung zu erklären, hat man drei sehr wesentlich verschiedene Ansichten zur Geltung zu bringen gesucht: 1) der Tropfen werde durch die elastische Kraft der Dämpfe von der erhitzten Platte losgerissen und darüber schwebend erhalten; 2) die flüssigen Theile werden von der glühenden Gefäßwand geradezu abgestoßen und in einem gewissen Abstände erhalten; 3) das relative Verhältniß der Anziehungen der Gefäßwand zu den flüssigen Theilen und dieser unter einander verändere sich bei erhöhter Temperatur. Die beiden ersten Vorstellungen haben das gemein, daß sie eine Isolirung der Flüssigkeit von der Platte annehmen. Diese Trennung auf meßbaren Abstand wollen nun einige Physiker wirklich beobachtet haben, während dieselbe von andern nicht bemerkt werden konnte. Eine wichtige Stütze für die Annahme einer solchen scheint die von Poggendorff gemachte Beobachtung zu seyn, daß ein glühender Platinstreifen, in verdünnte Schwefelsäure getaucht, unfähig ist, eine elektrische Kette zu schließen, indem dieß allem Anschein nach nur davon herrühren kann, daß zwischen dem glühenden Platinstreifen und der Flüssigkeit keine Berührung stattfindet. Der Verfasser hat den dieser Beobachtung zu Grunde liegenden Versuch in der Art wiederholt, daß eine geräumige (400 Gramme Wasser fassende) Silberschale zum Glühen erhitzt und dann Wasser, welches man im erwärmten Zustande allmählich hineingoß, darin in den sogenannten sphäroidalen Zustand gebracht, zugleich aber eine Stelle der Außenseite der Schale mit dem einen, und ein über der Schale hängender und bis dicht an den Boden derselben reichender Kupferstreifen mit dem andern Ende des Drahtes eines empfindlichen Multiplicators in Verbindung gesetzt wurde. Dabei zeigte sich, daß allerdings bei genügender Erhitzung der Schale und nicht zu großer Wassermenge das Wasser in einen solchen Zustand versetzt werden kann, daß die Galvanometernadel ganz stationär bleibt und demnach kein Strom stattfindet. Aber durch geringere Erhitzung der Schale oder größern Wasserzusatz kann man leicht dahin gelangen, eine Ablenkung der Nadel zu erhalten, wenn auch die Umstände des Leidenfrost'schen Phänomens noch vollständig vorhanden sind und also eine Wiederkehr der Benetzung noch nicht eingetreten ist. Dasselbe ist durch Zusatz einer ganz geringen Menge Schwefelsäure möglich. Der Verfasser schließt hieraus und aus andern ähnlichen Versuchen, daß flüssige Leiter, wenn sie auf glühenden Platten die Tropfenform angenommen haben, den Uebergang der Elektricität zu der Platte zwar sehr bedeutend aufhalten, jedoch nicht ganz und gar unterbrechen, und nimmt daher auch an, daß eine vollständige Trennung des Tropfens von der Platte, ein Schweben desselben über der Platte, nicht vorhanden, sondern nur die Zahl der Berührungspunkte, im Vergleich mit dem Zustande wirklicher Benetzung, sehr verringert sey. Die Zahl der Berührungspunkte ist um so geringer und also auch der Durchgang der Elektricicät um so mehr erschwert, je kleiner der Tropfen und je höher die Temperatur der Platte ist. Wenn nun dessen ungeachtet mehrere Beobachter einen Abstand zwischen der glühenden Platte und der Flüssigkeit in Tropfenform wirklich beobachtet haben, so mag dieß wohl nur daher kommen, daß kleine Tropfen durch die an allen Punkten ihrer Oberfläche entwickelten Dämpfe abwechselnd in die Höhe gerissen werden und wieder niederfallen. Auf diese Erklärung zielt auch die eigenthümliche tanzende Bewegung kleiner Tropfen. Die sehr charakteristische sternförmige und zwar immer durch eine gerade Anzahl abgerundeter Zacken bezeichnete Gestalt, welche Tropfen von mäßiger Ausdehnung in einer geräumigen Metallschale gewöhnlich annehmen, beruht auf einer Bildung von stehenden Wellen oder Schwingungen des Wassers, deren Entstehung ebenfalls nur dann leicht zu erklären ist, wenn man voraussetzen darf, daß der Tropfen auf dem Boden der Schale ruht, so daß die an feiner untern Fläche erzeugten Dämpfe nicht ganz frei hervortreten können, sondern sich gleichsam Auswege bahnen und daher die Flüssigkeit in diesen Richtungen vor sich herdrängen müssen, wodurch dann der Tropfen in nothwendiger Folge an andern Stellen sich einbiegen muß. Da das Bestehen des Leidenfrost'schen Tropfens eine vollständige Trennung desselben von der Fläche, worauf er sich bildet, nicht erfordert, so kann sein Entstehen auch nicht durch die vorstehend sub 1 und 2 angeführten Annahmen, sondern nur durch die Annahme sub 3, nämlich durch einen Wechsel der Adhäsionsverhältnisse, erklärt werden. Die Adhäsion einer Gefäßwand zu der sie berührenden Flüssigkeit vermindert sich bei steigender Temperatur, gleichwie die Anziehung flüssiger Theile unter einander. Dieß lehrt schon der bekannte Versuch, daß, wenn ein benetzter Platinstreif an dem einen Ende erhitzt wird, die Flüssigkeit sich gegen das andere Ende, selbst aufwärts bewegt. Daß das Wasser eine Gefäßwand benetzt, rührt bekanntlich daher, daß ihre wechselseitige Anziehung größer ist, als die der flüssigen Theile zu einander. Dieses Uebergewicht findet gewöhnlich auch dann noch statt, wenn Flüssigkeit und Gefäßwand gleichmäßig erwärmt werden. Die Innenfläche einer Abdampfschale besitzt eine nur wenig höhere Temperatur, als die sie benetzende siedende Flüssigkeit. Kann aber diese Innenfläche bedeutend stärker erhitzt werden als die Flüssigkeit, so muß auch ihre Adhäsionskraft stärker abnehmen, als die Cohäsionskraft der flüssigen Theile. Es wird also früher oder später ein Temperaturpunkt eintreten, bei welchem die Cohäsion die Adhäsion überwiegt, mithin nach bekannten Capillargesetzen der Tropfen entstehen und die Benetzung aufhören muß. Ein sehr charakteristisches Verhalten in dieser Beziehung zeigt das Quecksilber gegenüber dem Platin. Letzteres wird von dem erstern bei gewöhnlicher Temperatur bekanntlich nicht benetzt. Erhitzt man einen Quecksilbertropfen auf einer Platinplatte, so zerfließt er darauf bei einer gewissen Temperatur und bildet ein Amalgam. Die wechselseitige Anziehung beider Körper vermindert sich aber wieder bei noch höherer Temperatur, denn ihre Verbindung wird in der Glühhitze zerstört. Bringt man nun siedendheißes Quecksilber in eine, wenn auch nur mattglühende Platinschale, so behauptet es die Tropfenform, bis der letzte Rest verdampft ist. Bei Versuchen darüber, wie hoch die Temperatur einer Platte seyn muß, um von einer heiß eingegossenen Flüssigkeit nicht mehr benetzt zu werden, fand der Verfasser, daß diese Temperatur überall höher seyn muß, wie der Siedepunkt der Flüssigkeit, und daß Aether auf einer Silberplatte schon bei einer Temperatur derselben von 75° C.Diese Temperaturen sind die des Wasser- oder Oelbades, durch welches die Schale erhitzt wurde., Alkohol bei 137°, Wasser bei 144° den Leidenfrost'schen Tropfen bildet. In einer Platinschale gelang der Versuch mit Wasser erst, als die Temperatur auf 210° gestiegen war. In einer Porzellanschale nahm Aether erst bei 190° C. die Tropfenform an, Wasser und Alkohol noch nicht bei 300°. Der Versuch gelang aber auch mit den beiden letzteren Flüssigkeiten leicht, wenn die Porzellanschale bis zum Glühen erhitzt und die Flüssigkeit siedendheiß eingebracht wurde. Mit fettem Oel scheint der Leidenfrost'sche Versuch deßhalb nicht zu gelingen, weil es, da es nicht verdunstet, keine von der Platte verschiedene Temperatur behaupten kann, und zugleich, weil es bei hoher Temperatur der Platte gleich verkohlt. Mengt man aber das Oel mit Wasser oder Weingeist, so zeigt sich alsbald das Leidenfrost'sche Phänomen und hält so lange an, als von der verdampfbaren Flüssigkeit hinreichend vorhanden ist, um die Temperatur des Tropfens niedrig zu erhalten. Boutigny betrachtet die Tropfenform, welche verdampfbare Flüssigkeiten auf heißen Flächen annehmen können, als einem eigenthümlichen, gewissermaßen einem vierten Aggregatzustand (état sphéroïdal), der zwischen dem festen und flüssigen liegt, angehörig. Zu den Eigenschaften dieses Zustandes gehört neben einer sehr kräftigen, auf die Entfernung wirksamen Abstoßungskraft gegen heiße Flächen, das Vermögen, die Wärmestrahlen vollständig zu reflectiren. Die Versuche und Erklärungen des Verfassers zeigen aber, daß das Vorhandenseyn der ersteren dieser hypothetischen Eigenschaften weder durch die Thatsachen begründet, noch zur Erklärung der Tropfenbildung nothwendig ist. Zur Stütze für die zweite führt Boutigny eine Reihe von Erscheinungen an, die sich viel leichter ohne Beihülfe hypothetischer Voraussetzungen erklären lassen. Es ist nämlich wohl einleuchtend, daß in Folge der, wenn auch nicht ganz und gar unterbrochenen, doch sehr auffallend verminderten Innigkeit der Berührung, daß durch dieselbe Ursache, welche den Uebergang des elektrischen Stroms von der heißen Unterlage zu dem Tropfen aufhält, auch der Uebergang des Wärmestroms erschwert werden muß. So kommt es, daß die Behältermasse, trotz der Nähe der Flüssigkeit, eine höhere Temperatur als diese und selbst die Glühhitze behaupten kann, so lange die Wärmemenge, welche sie in jedem Augenblicke aus der Wärmequelle empfängt, nicht weniger beträgt als diejenige, welche sie theils an die Flüssigkeit abgibt, theils an die entfernteren Umgebungen verliert. Obschon die Schnelligkeit der Verdunstung des Leidenfrost'schen Tropfens hinter der unter gewöhnlichen Umständen vor sich gehenden Dampfbildung allerdings sehr auffallend zurückbleibt, so ist doch die dem Tropfen, theils durch Leitung, theils durch Strahlung zugeführte Wärme keineswegs unbedeutend; denn wenn der Versuch im Dunkeln angestellt wird, so bemerkt man, daß sich die Gefäßwand im Augenblicke des Zubringens der Flüssigkeit sehr stark abkühlt. Gehört die Masse des Behälters zu den guten Leitern, so wird die derselben an der Berührungsstelle der Flüssigkeit entzogene Wärme von allen Seiten rasch wieder zugeführt. Bei schlechterer Leitfähigkeit, z. B. in Porzellanschalen, geht diese Zufuhr weit langsamer vor sich; die glühende Fläche kann daher leichter unter diejenige Temperatur abgekühlt werden, bei welcher die Tropfenform sich noch behauptet. Hieraus erklärt es sich, warum der Leidenfrost'sche Versuch auf Platten, welche die besten Wärmeleiter sind (in Silberschalen) auch am besten gelingt. Was die Temperaturhöhe betrifft, welche eine Flüssigkeit in offenen glühenden Gefäßen annehmen kann, so versteht es sich eigentlich von selbst, daß dieselbe niemals ihren Siedepunkt übersteigen kann; denn diese Temperaturgränze ist nicht von der Größe des Wärmezutritts, sondern von dem äußern Drucke abhängig. Flüssige schweflige Säure in der offenen Schale kann also keine Temperatur über — 10° C. behaupten, aus eben dem Grunde, warum Wasser in derselben Schale nicht über 100° C. und concentrirte Schwefelsäure nicht über 325° C. erwärmt werden kann. Da der Leidenfrost'sche Tropfen seine Unterlage nur an wenigen Punkten berührt, so ist in der Regel kein Grund vorhanden, warum die an beliebigen Punkten seiner untern Fläche, nämlich gerade da, wo die Wärme eindringt, gebildeten Dämpfe, anstatt frei in den Luftraum zu treten, ihren Weg lieber durch die flüssige Masse nehmen und so das bei siedenden Flüssigkeiten charakteristische Aufwallen bewirken sollten. Der Tropfen wird daher gewöhnlich, selbst bei genügender Temperaturhöhe, die Erscheinung des Siedens nicht zeigen, obschon die gleiche Flüssigkeit in einem kleinen Gefäß mit enger Ausmündung, unmittelbar neben den Tropfen gestellt, zum Sieden gelangen kann. Gewöhnlich bleibt die Temperatur des Leidenfrost'schen Tropfens ein paar Grade unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit, weil in Folge der an allen Punkten seiner Umfangsfläche eintretenden Verdunstung die zugeführte Wärme auch bei der niedrigeren Temperatur schon vollständig wieder entfernt wird. Als ein dicker Kupferdraht mitten in die in Tropfenform befindliche Flüssigkeit getaucht und bis auf den Boden herabgesenkt wurde, zeigte sich an demselben sehr bald eine Entwickelung von Dampfblasen, die Anfangs zwar beim Aufsteigen sich wieder verdichteten, aber bei verstärkter Einwirkung der Hitze allmählich bis zur Oberfläche des Tropfens hervortraten. Während also die Flüssigkeit da, wo sie das Kupfer benetzte, die Erscheinung des Siedens zeigte, behielt sie am Rande die Tropfenform. Aus der Eigenschaft des Wassers, sich an glühenden Metallen nicht anzuhängen und dadurch den Uebergang der Wärme bedeutend zu verlangsamen, erklärt bekanntlich Boutigny die merkwürdige Thatsache, daß man die befeuchtete Hand einen Augenblick mit glühendem Metalle berühren, daß man z. B. geschmolzenes Blei darüber gießen, oder dieselbe mit mäßiger Schnelligkeit durch den ausfließenden Strahl von Eisenguß ziehen, oder auch selbst in die glühende Metallmasse eintauchen kann, ohne sie zu verletzen, während man sich an dem bloß sehr heißen, aber nicht glühenden Metalle unfehlbar verbrennen würde. „Durch Eintauchen der Hand in ein geschmolzenes Metall wird sie isolirt (nämlich durch Repulsion), die sie bedeckende Feuchtigkeit geht in den sphäroidalen Zustand über, reflectirt die strahlende Wärme und erwärmt sich nicht auf den Siedepunkt. Dieß ist alles.“ So sagt Boutigny. Wenn man nun auch diese Theorie nicht gelten lassen kann, so bleibt es doch ohne Zweifel richtig, daß das Gelingen dieser Beispiele der sogenannten Feuerprobe, von der Feuchtigkeit der Haut und deren Eigenschaft, bei der Berührung mit glühenden Massen die Tropfenform anzunehmen, wesentlich abhändig ist. Schließlich erwähnt der Verfasser folgendes seltsame Verfahren, welches nach einer Mittheilung des Dr. Bensch vor längerer Zeit ein Arbeiter in einer Glashütte anwendete, um sich einen Glassplitter aus dem Fuße zu ziehen. Er nahm weiches weißglühendes Glas mit der Pfeife aus dem Ofen und drückte es mit Gewalt und rasch gegen den verletzten Theil des Fußes. Beim Zurückziehen blieb der Splitter an der weichen Glasmasse hängen, ohne daß der Fuß durch die Hitze im mindesten gelitten hatte.