La investigación del MIT sobre la tensión superficial del agua de mar se convierte en una guía internacional | Noticias del MIT



La propiedad del agua que permite a un insecto vagar por la superficie de un estanque o sostener un clip cuidadosamente colocado flotando sobre una taza de agua se conoce como de tensión superficial. Comprender la tensión superficial del agua es importante en una amplia gama de aplicaciones, incluida la transferencia de calor, la desalinización y la oceanografía. Si bien se sabe mucho sobre la tensión superficial del agua dulce, hasta hace poco se sabe muy poco sobre la tensión superficial del agua de mar.

En 2012, John Lienhard, profesor Abdul Latif Jameel de Ingeniería Mecánica e Hidráulica, y Kishor Nayar SM '14, PhD '19, entonces estudiante de posgrado, se embarcaron en un proyecto de investigación para comprender cómo la tensión superficial del agua la temperatura cambia con la temperatura y la salinidad. Dos años después, publicaron sus resultados en el Registro de datos de referencia físicos y químicos. Esta primavera, la Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor (IAPWS) anunció que considera que el trabajo de Lienhard y Nayar es una guía internacional.

Según el IAPWS, la investigación de Lienhard y Nayar "muestra una correlación para la tensión superficial del agua de mar en función de la temperatura y la salinidad". El anuncio de la directiva marcó la culminación de ocho años de trabajo con decenas de colaboradores del MIT y de todo el mundo.

“Este proyecto nació de mi trabajo en desalación. Al desalinizar, es necesario conocer la tensión superficial del agua, ya que afecta la forma en que el agua pasa a través de los poros de una membrana ”, dice Lienhard, un experto mundial en desalinización: el proceso mediante el cual el agua salada se trata para convertirse en agua potable dulce.

Lienhard sugirió que Nayar tomara medidas de la tensión superficial del agua de mar y comparara los resultados con la tensión superficial del agua pura. Como pronto descubrirían, obtener datos fiables sobre el agua salada resultaría increíblemente difícil.

“Inicialmente pensamos que estos experimentos serían bastante simples de hacer, que lo haríamos en uno o dos meses. Pero cuando empezamos a analizarlo, nos dimos cuenta de que era un problema mucho más difícil de resolver ”, dice Lienhard.

Desde el principio, Nayar esperaba obtener suficientes datos precisos para informar un estándar de propiedad. Esto requeriría que la incertidumbre de la medición sea inferior al 1%.

“Cuando se habla de métricas de bienes raíces, debe ser lo más específico posible”, explica Nayar. El primer obstáculo que tuvo que superar para lograr este nivel de precisión fue encontrar la instrumentación adecuada para tomar medidas confiables, lo que resultó ser una tarea difícil.

Medir la tensión superficial

Para medir la tensión superficial del agua, Lienhard y Nayar se asociaron con Gareth McKinley, profesor de ingeniería mecánica, entonces estudiante de posgrado Divya Panchanathan SM '15, PhD '18. Comenzaron con un dispositivo conocido como Placa Wilhelmy, que encuentra la tensión superficial bajando una pequeña placa de platino en un vaso de agua y luego midiendo la fuerza ejercida por el agua cuando el la placa está levantada.

Nayar y Panchanathan se esforzaron por medir la tensión superficial del agua salada a temperaturas más altas. "El problema que seguimos encontrando fue que una vez que la temperatura estaba por encima de los 50 grados Celsius, el agua del vaso de precipitados se evaporaba más rápido de lo que podíamos tomar medidas". , explica Nayar.

Ningún instrumento les permitiría obtener los datos que necesitaban, por lo que Nayar recurrió a MIT Hobby Shop. Con la ayuda de un torno, construyó una tapa especial para el vaso de precipitados para contener el vapor.

"La pequeña tapa que construyó Kishor tenía puertas cortadas con precisión, lo que le permitió pasar una sonda de tensión superficial a través de la tapa sin dejar salir vapor de agua", explica Lienhard.

Después de avanzar en la obtención de datos, el equipo sufrió un gran revés. Encontraron escamas de sal apenas perceptibles, que se formaron en su vaso de precipitados de prueba con el tiempo, introdujeron errores en sus mediciones. Para obtener los valores más precisos, decidieron utilizar vasos de precipitados nuevos para cada prueba. Como resultado, Nayar tuvo que repetir nueve meses de trabajo justo antes de la fecha límite para su tesis de maestría. Afortunadamente, dado que se identificó y resolvió el problema principal, los experimentos pudieron repetirse mucho más rápidamente.

Nayar pudo rehacer los experimentos a tiempo. El equipo midió la tensión superficial del agua de mar en un rango de temperatura ambiente a 90 grados Celsius y niveles de salinidad que van desde agua pura hasta cuatro veces la salinidad del agua de mar. agua del océano. Descubrieron que la tensión superficial disminuye alrededor de un 20% a medida que el agua pasa de la temperatura ambiente a la ebullición. Mientras tanto, a medida que aumenta la salinidad, también lo hace la tensión superficial. El equipo había resuelto el misterio de la tensión superficial del agua de mar.

"Fue, literalmente, lo más técnicamente difícil que he hecho", recuerda Nayar.

Sus datos tenían una desviación promedio de 0,19%, con una desviación máxima de solo 0,6%, muy dentro del límite del 1% necesario para una guía.

De la tesis de maestría a la pauta internacional

Tres años después de completar su tesis de maestría, Nayar, entonces estudiante de doctorado, asistió a una reunión de IAPWS en Kyoto, Japón. IAPWS es una organización internacional sin fines de lucro responsable de publicar estándares sobre las propiedades del agua y el vapor. Allí, Nayar se reunió con líderes en el campo de la tensión superficial del agua que habían luchado con los mismos problemas que había enfrentado Nayar. Estos contactos lo iniciaron en el largo y riguroso proceso de declarar algo como una pauta internacional.

El IAPWS había publicado previamente estándares sobre las propiedades del vapor desarrollados por el fallecido Joseph Henry Keenan, profesor y exjefe del departamento de ingeniería mecánica del MIT. Para unirse a Keenan como los autores de un estándar IAPWS, los datos del equipo debían ser verificados mediante mediciones realizadas por otros investigadores. Después de tres años de trabajar con IAPWS, el trabajo del equipo fue finalmente adoptado como una guía internacional.

Para Nayar, quien obtuvo su doctorado el año pasado y ahora es ingeniero senior de aguas industriales y aguas residuales en la consultora de ingeniería GHD, el anuncio de la directiva valió la pena. largos meses de recopilación de datos. "Se sintió como si algo hubiera terminado", recuerda.

Los resultados informados por Nayar, Panchanathan, McKinley y Lienhard en 2014 son ampliamente aplicables a una serie de industrias, según Lienhard. "Ciertamente es relevante para el trabajo de desalación, pero también para cuestiones oceanográficas como la dinámica de las ondas capilares", explica.

También ayuda a explicar cómo las cosas pequeñas, como un insecto o un clip, pueden flotar en el agua de mar.

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