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Es un proceso fundamental en la vida cotidiana, desde la máquina de café de la mañana hasta la gigantesca estación de energía que suministra electricidad, que a menudo se da por sentado: es como un líquido s lejos de una superficie caliente.
Sorprendentemente, este proceso básico se analizó por primera vez solo por primera vez en detalle a nivel molecular, en un nuevo análisis postdoc MIT Zhengmao Lu, profesor de ingeniería mecánica y jefe de departamento, Evelyn Wang, y otros tres investigadores del MIT. Universidad de Tokio. El estudio aparece en el periódico. Comunicaciones de la naturaleza.
"Resulta que para el proceso de cambio de fase de vapor líquido, una comprensión fundamental de este fenómeno aún es relativamente limitada", explica Wang. "Aunque se han desarrollado muchas teorías, no ha habido evidencia experimental de las limitaciones fundamentales de la física de la evaporación".
Este es un proceso importante de entender porque es muy ubicuo. "La evaporación está muy extendida en diferentes tipos de sistemas, como la generación de vapor para centrales eléctricas, tecnologías de desalinización de agua, destilación de membrana y gestión térmica, como tuberías de calor, por ejemplo ", dice Wang. La optimización de la eficiencia de tales procesos requiere una comprensión clara de la dinámica involucrada, pero en muchos casos, los ingenieros confían en aproximaciones u observaciones empíricas para guiar su elección de materiales y condiciones. 39; operación.
Utilizando una nueva técnica para controlar y detectar las temperaturas de la superficie del líquido en evaporación, los investigadores pudieron identificar un conjunto de características universales que implican cambios de tiempo, presión y temperatura que determinan los detalles. del proceso de evaporación. Durante el proceso, descubrieron que el factor determinante en la velocidad de evaporación del líquido no era la diferencia de temperatura entre la superficie y el líquido, sino la diferencia de presión entre la superficie del líquido. y el vapor ambiental.
La "simple pregunta" de cómo un líquido se evapora a una temperatura y presión dada ha quedado sin respuesta a pesar de varias décadas de estudio, dijo Pawel Keblinski, profesor y director del Departamento de Ciencia e Ingeniería. materiales del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI). no ha estado involucrado en este trabajo. "Si bien los teóricos han especulado durante más de un siglo, los experimentos fueron de poca utilidad, porque es extremadamente difícil ver la interfaz de evaporación de líquido-vapor y conocer la temperatura y la presión cerca de las interfaces", dijo.
Este nuevo trabajo, dice Keblinski, "nos acerca a la verdad". En paralelo con otras nuevas técnicas de observación desarrolladas por otros, este nuevo conocimiento "nos permitirá finalmente cuantificar el proceso de evaporación después de un siglo de esfuerzo". dicho.
El éxito de los investigadores se debe en parte a la eliminación de otros factores que complican el análisis. Por ejemplo, las propiedades aislantes del aire en sí influyen fuertemente en la evaporación del líquido en el aire. Por lo tanto, este proceso se observó en una cámara que contenía solo líquido y vapor aislado del aire circundante. Luego, para sondear los efectos en el límite entre el líquido y el vapor, los investigadores utilizaron una membrana muy delgada, acribillada de pequeños poros, para confinar el agua, calentarla y medir su temperatura.
Esta membrana de un espesor de 200 nanómetros (billonésimas de metro), hecha de nitruro de silicio y cubierta de oro, transporta el agua por capilaridad a través de sus poros y se calienta eléctricamente para provocar su evaporación. . Luego, "también usamos esta membrana como sensor para detectar la temperatura de la superficie durante la evaporación de una manera precisa y no invasiva", explica Lu.
La capa dorada de la membrana es crucial, agrega. La resistencia eléctrica del oro varía directamente según la temperatura. Por lo tanto, al calibrar cuidadosamente el sistema antes del experimento, pueden obtener una lectura directa de la temperatura hasta el punto exacto donde se produce la evaporación momentáneamente. simplemente leyendo la resistencia de la membrana.
Los datos recopilados "sugieren que la fuerza impulsora real o potencial de conducir en este proceso no es la diferencia de temperatura, sino la diferencia de presión", dice Wang. "Eso es lo que hace que todo esté alineado ahora en esta hermosa curva, que es lo que la teoría podría predecir", dice ella.
Si bien esto puede sonar simple en principio, desarrolle la membrana necesaria con sus poros de 100 nanómetros de ancho, fabricados utilizando un método llamado litografía de interferencia, y obtenga el funcionamiento suave de Todo el sistema tomó dos años, dijo.
En general, los resultados hasta ahora son "consistentes con lo que predice la teoría", dice Lu, pero aún es importante tener esta confirmación. "Aunque las teorías han predicho cosas, no hay pruebas experimentales de su precisión", agrega Wang.
Los nuevos descubrimientos también brindan orientación a los ingenieros que diseñan nuevos sistemas basados en la evaporación, proporcionando información sobre cómo seleccionar los mejores fluidos de trabajo en una situación dada, así como sobre las condiciones de presión y presión. 39, eliminación del aire ambiente del sistema. "Al utilizar este sistema como guía, de alguna manera puede optimizar las condiciones de trabajo para ciertos tipos de aplicaciones", dice Lu.
Este equipo "realizó una serie de elegantes experimentos diseñados para confirmar predicciones teóricas ", dice Joel Plawsky, profesor de ingeniería química y biológica en RPI, que no participó en este trabajo. "El dispositivo era único y extremadamente difícil de fabricar y usar. Los datos fueron excepcionales en calidad y detalle. Siempre que se pueda borrar una gran cantidad de datos mediante el desarrollo de una formulación adimensional, "es decir que también se aplica en una amplia variedad de condiciones", esto representa un gran avance para la ingeniería ", dice.
Plawsly agrega: "Este trabajo plantea muchas preguntas sobre el comportamiento de diferentes fluidos y mezclas de fluidos. Podemos imaginar varios años de trabajo de seguimiento. "
El equipo también incluyó a Ikuya Kinefuchi de la Universidad de Tokio y los estudiantes graduados Kyle Wilke y Geoffrey Vaartstra del MIT. El trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la National Science Foundation.
