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



La propiedad del agua que permite que un insecto deambule por la superficie de un estanque o que mantenga un clip de papel 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. Aunque se sabe mucho sobre la tensión superficial del agua dulce, se sabe muy poco sobre la tensión superficial del agua de mar, hasta hace poco.

En 2012, John Lienhard, el profesor Abdul Latif Jameel de Ingeniería Hidráulica y Mecánica, y el estudiante graduado Kishor Nayar SM '14, PhD '19 se embarcaron en un proyecto de investigación para comprender cómo la tensión superficial de El agua de mar 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 había considerado el trabajo de Lienhard y Nayar como una directiva internacional.

Según 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 finalización de ocho años de trabajo con docenas de colaboradores del MIT y de todo el mundo.

“Este proyecto nació de mi trabajo de desalinización. En la desalinización, debe conocer la tensión superficial del agua, ya que esto afecta la forma en que el agua viaja a través de los poros de una membrana ", dice Lienhard, un experto en desalinización global. El proceso por el cual el agua salada se trata para convertirse en agua dulce potable.

Lienhard sugirió que Nayar tome medidas de la tensión superficial del agua de mar y compare los resultados con la tensión superficial del agua pura. Como pronto descubrirían, sería extremadamente difícil obtener datos confiables del agua salada.

"Originalmente pensamos que estos experimentos serían bastante simples de hacer, que terminaríamos en uno o dos meses". Pero cuando comenzamos a mirarlo, 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. Para hacer esto, la incertidumbre de medición debe ser inferior al 1%.

"Cuando habla de medidas de propiedad, debe ser lo más específico posible", dice Nayar. El primer obstáculo que tuvo que superar para alcanzar este nivel de precisión fue encontrar la instrumentación adecuada para realizar mediciones confiables, lo que resultó difícil.

Medir la tensión superficial

Para medir la tensión superficial del agua, Lienhard y Nayar se asociaron con Gareth McKinley, profesor de ingeniería mecánica y estudiante de posgrado de la época Divya Panchanathan SM & # 39; 15, PhD & # 39; 18) Comenzaron con un dispositivo conocido como placa Wilhelmy, que encuentra la tensión superficial al bajar una pequeña placa de platino en un vaso de agua, y luego medir la fuerza ejercida por el agua. cuando se levanta la placa.

A Nayar y Panchanathan les resultó difícil medir la tensión superficial del agua salada a temperaturas más altas. "El problema que seguimos encontrando fue que una vez que la temperatura superó los 50 grados centígrados, el agua en el vaso se evaporó más rápido de lo que pudimos tomar las medidas", dice Nayar.

Ningún instrumento les permitiría obtener los datos que necesitaban, por lo que Nayar recurrió a la Tienda de Hobby del MIT. Usando un torno, construyó una cubierta especial para el vaso de precipitados para retener el vapor.

"La pequeña cubierta construida por Kishor había cortado con precisión las puertas que le permitieron poner una sonda de tensión superficial a través de la cubierta sin dejar salir el agua", dice Lienhard.

Después de avanzar en la obtención de datos, el equipo sufrió un revés masivo. Descubrieron que las escamas de sal apenas visibles, que se formaron en su vaso de prueba con el tiempo, introdujeron errores de medición. Para obtener los valores más precisos, decidieron usar vasos de precipitados nuevos para cada prueba. Como resultado, Nayar tuvo que repetir nueve meses de trabajo justo antes del final de su tesis de maestría. Afortunadamente, dado que el problema principal fue identificado y resuelto, los experimentos pudieron repetirse mucho más rápidamente.

Nayar pudo repetir los experimentos a tiempo. El equipo midió la tensión superficial en el agua de mar que varía desde la temperatura ambiente hasta 90 grados centígrados y los niveles de salinidad que van desde agua pura hasta cuatro veces la salinidad del agua. agua del océano. Descubrieron que la tensión superficial disminuye en aproximadamente un 20% cuando el agua pasa de temperatura ambiente a ebullición. Mientras tanto, a medida que aumenta la salinidad, también aumenta la tensión superficial. El equipo había abierto el misterio de la tensión superficial del agua de mar.

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

Sus datos tenían una desviación promedio de 0.19%, con una desviación máxima de solo 0.6%, dentro del límite de 1% necesario para una guía.

De la tesis de maestría a la directiva internacional

Tres años después de completar su tesis de maestría, Nayar, entonces estudiante de doctorado, asistió a una reunión de IAPWS en Kyoto, Japón. El 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 área de tensión superficial del agua que habían luchado con los mismos problemas que Nayar había enfrentado. Estos contactos lo presentaron al largo y riguroso proceso de declarar algo así como una directiva internacional.

El IAPWS publicó previamente estándares sobre las propiedades del vapor desarrollado por el difunto Joseph Henry Keenan, profesor y jefe del departamento de ingeniería mecánica del MIT. Para unirse a Keenan como autores de un estándar IAPWS, los datos del equipo tuvieron que ser verificados por mediciones de otros investigadores. Después de tres años de trabajar con el IAPWS, el trabajo del equipo finalmente se adoptó como una directriz internacional.

Para Nayar, quien obtuvo su doctorado el año pasado y ahora es ingeniero industrial senior de agua / aguas residuales en la consultora de ingeniería GHD, el anuncio de las directrices valió la pena durante los largos meses de recolección de datos. "Era como si algo estuviera terminando", recuerda.

Los resultados que informaron Nayar, Panchanathan, McKinley y Lienhard en 2014 son ampliamente aplicables a una serie de industrias, según Lienhard. "Ciertamente es relevante para el trabajo de desalinización, pero también para problemas oceanográficos como la dinámica de las ondas capilares", explica.

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

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