Объяснение физики испарения

Исследователи показывают, что изменения давления, в большей степени, чем температуры, сильно влияют на то, как быстро жидкости превращаются в газ.

Испарение – это процесс, при котором вода превращается из жидкости в газ или пар. этот процесс является основным путем перехода воды из жидкого состояния обратно в круговорот воды в виде водяного пара в атмосфере.

Испарение обычно происходит в повседневной жизни. Когда вы выходите из душа, вода с вашего тела испаряется по мере высыхания. Если вы оставите стакан с водой, уровень воды будет медленно уменьшаться по мере испарения воды.

Впервые ученые Массачусетского технологического института подробно проанализировали процесс испарения на молекулярном уровне. Для этого они использовали новую технику для контроля и определения температуры на поверхности испаряющейся жидкости. Сделав это, они смогли определить набор универсальных характеристик, включающих изменения времени, давления и температуры, которые определяют детали процесса испарения.

В основном, как они обнаружили, ключевым фактором, определяющим скорость испарения жидкости, является не разница температур между поверхностью и жидкостью, а, скорее, разница в давлении между поверхностью жидкости и окружающим паром.

Благодаря этому эксперименту ученые также ответили на довольно простой вопрос о том, как испаряется жидкость при заданной температуре и давлении.

Павел Кеблински, профессор и заведующий кафедрой материаловедения и инженерии Политехнического института Ренсселера (RPI), сказал: «Хотя теоретики размышляли более века, эксперимент мало помог, поскольку мы видели испаряющуюся границу раздела жидкость-пар и знали температуру и давление вблизи интерфейсов чрезвычайно сложно».

Успех исследователей отчасти стал результатом устранения других факторов, усложняющих анализ. Например, на испарение жидкости в воздух сильно влияют изолирующие свойства самого воздуха, поэтому для этих экспериментов процесс наблюдался в камере, в которой присутствовали только жидкость и пар, изолированной от окружающего воздуха.

Затем, чтобы исследовать эффекты прямо на границе между жидкостью и паром, исследователи использовали очень тонкую мембрану, пронизанную мелкими порами, чтобы удерживать воду, нагревать ее и измерять ее температуру.

Постдок Массачусетского технологического института Чжэнмао Лу, профессор машиностроения, сказал: «Эта мембрана толщиной всего 200 нанометров (миллиардных долей метра), сделанная из нитрида кремния и покрытая золотом, проводит воду через свои поры за счет капиллярного действия и нагревается электрическим током, вызывая вода испаряется. Затем мы также используем эту мембрану в качестве датчика, чтобы измерять температуру испаряющейся поверхности точным и неинвазивным способом».

«Золотое покрытие мембраны имеет решающее значение. Электрическое сопротивление золота напрямую зависит от температуры, поэтому, тщательно откалибровав систему перед экспериментом, они смогут получить прямые показания температуры в конкретной точке. где испарение происходит момент за моментом, просто считывая сопротивление мембраны».

Ван сказал: «Собранные ими данные позволяют предположить, что фактическая движущая сила или движущий потенциал в этом процессе — это не разница температур, а разница давлений. теория предсказывала бы».

«Хотя в принципе это может показаться простым, но на самом деле разработка необходимой мембраны с порами шириной 100 нанометров, которые сделаны с использованием метода, называемого интерференционной литографией, и обеспечение правильной работы всей системы заняло два года напряженной работы».

Новые результаты также служат руководством для инженеров, проектирующих новые системы, основанные на испарении, предоставляя информацию как о выборе лучших рабочих жидкостей для данной ситуации, так и об условиях давления и удаления окружающего воздуха из системы.

Джоэл Плавски, профессор химической и биологической инженерии в RPI, не принимавший участия в этой работе, сказал: «Аппарат был уникальным, и его было очень сложно изготовить и эксплуатировать. Данные были исключительными по качеству и детализации. большой разброс данных за счет разработки безразмерной формулы, то есть такой, которая одинаково хорошо применима в самых разных условиях, что представляет собой крупный прогресс в инженерии».