La física de la evaporación explicada

Los cambios en la presión, más que en la temperatura, influyen fuertemente en la rapidez con la que los líquidos se convierten en gas, según muestran los investigadores.

La evaporación es el proceso por el cual el agua cambia de líquido a gas o vapor. el proceso es el camino principal para que el agua pase del estado líquido al ciclo del agua como vapor de agua atmosférico.

La evaporación ocurre comúnmente en la vida cotidiana. Cuando sales de la ducha, el agua de tu cuerpo se evapora mientras te secas. Si deja un vaso de agua afuera, el nivel del agua disminuirá lentamente a medida que el agua se evapora.

Por primera vez, los científicos del MIT han analizado el proceso de evaporación en detalle a nivel molecular. Para ello, utilizaron una nueva técnica para controlar y detectar temperaturas en la superficie de un líquido en evaporación. Al hacer esto, pudieron identificar un conjunto de características universales que involucran cambios de tiempo, presión y temperatura que determinan los detalles del proceso de evaporación.

Principalmente, encontraron que el factor clave que determina qué tan rápido podría evaporarse el 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.

A través de este experimento, los científicos también respondieron una pregunta bastante simple de cómo se evapora un líquido a una temperatura y presión determinadas.

Pawel Keblinski, profesor y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), dijo: "Si bien los teóricos especularon durante más de un siglo, el experimento fue de poca ayuda, ya que vio la interfaz de evaporación líquido-vapor y conocer la temperatura y la presión cerca de las interfaces es extremadamente desafiante".

El éxito de los investigadores se debió en parte a la eliminación de otros factores que complican el análisis. Por ejemplo, la evaporación de líquido en el aire se ve fuertemente afectada por las propiedades aislantes del propio aire, por lo que para estos experimentos, el proceso se observó en una cámara con solo el líquido y el vapor presentes, aislada del aire circundante.

Luego, para probar los efectos justo en el límite entre el líquido y el vapor, los investigadores usaron una membrana muy delgada plagada de pequeños poros para confinar el agua, calentarla y medir su temperatura.

El posdoctorado del MIT, Zhengmao Lu, profesor de ingeniería mecánica, dijo: "Esa membrana, de solo 200 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, hecha de nitruro de silicio y recubierta de oro, transporta agua a través de sus poros por acción capilar y se calienta eléctricamente para causar el agua se evapore. Luego, también usamos esa membrana como sensor, para detectar la temperatura de la superficie de evaporación de una manera precisa y no invasiva".

"El recubrimiento de oro de la membrana es crucial. La resistencia eléctrica del oro varía directamente en función de la temperatura, por lo que al calibrar cuidadosamente el sistema antes del experimento, pueden obtener una lectura directa de la temperatura en el punto exacto. donde se está produciendo la evaporación, momento a momento, simplemente leyendo la resistencia de la membrana".

Wang dijo: "Los datos que recopilaron sugieren que la fuerza impulsora real o el potencial impulsor en este proceso no es la diferencia de temperatura, sino la diferencia de presión. Eso es lo que hace que todo ahora esté alineado con esta curva realmente agradable, que coincide bien con lo que la teoría predeciría".

"Si bien puede parecer simple en principio, desarrollar la membrana necesaria con sus poros de 100 nanómetros de ancho, que se fabrican mediante un método llamado litografía de interferencia, y hacer que todo el sistema funcione correctamente tomó dos años de arduo trabajo".

Los nuevos hallazgos también brindan orientación a los ingenieros que diseñan nuevos sistemas basados ​​en evaporación, brindando información sobre la selección de los mejores fluidos de trabajo para una situación determinada, así como las condiciones de presión y eliminación de aire ambiental del sistema.

Joel Plawsky, profesor de ingeniería química y biológica en RPI, que no participó en este trabajo, dijo: "El aparato era único y minuciosamente difícil de fabricar y operar. Los datos eran excepcionales en calidad y detalle. Cada vez que uno puede colapsar un gran dispersión de datos mediante el desarrollo de una formulación adimensional, es decir, una que se aplica igualmente bien en una amplia variedad de condiciones, que representa un gran avance para la ingeniería".

"Hay muchas preguntas que abre este trabajo sobre el comportamiento de diferentes fluidos y de mezclas de fluidos. Uno puede imaginar muchos 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 apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias.

El estudio aparece en la revista Nature Communications.