Spiegazione della fisica dell'evaporazione

I cambiamenti di pressione, più che di temperatura, influenzano fortemente la velocità con cui i liquidi si trasformano in gas, mostrano i ricercatori.

L'evaporazione è il processo mediante il quale l'acqua passa dallo stato liquido a quello gassoso o vapore. il processo è il percorso principale attraverso il quale l'acqua passa dallo stato liquido al ciclo dell'acqua sotto forma di vapore acqueo atmosferico.

L'evaporazione avviene comunemente nella vita di tutti i giorni. Quando esci dalla doccia, l'acqua sul tuo corpo evapora mentre ti asciughi. Se lasci fuori un bicchiere d'acqua, il livello dell'acqua diminuirà lentamente man mano che l'acqua evapora.

Per la prima volta gli scienziati del MIT hanno analizzato in dettaglio il processo di evaporazione a livello molecolare. A tale scopo, hanno utilizzato una nuova tecnica per controllare e rilevare le temperature sulla superficie di un liquido in evaporazione. In questo modo, sono stati in grado di identificare una serie di caratteristiche universali che coinvolgono cambiamenti di tempo, pressione e temperatura che determinano i dettagli del processo di evaporazione.

Principalmente, hanno scoperto, il fattore chiave che determina la velocità con cui il liquido potrebbe evaporare non era la differenza di temperatura tra la superficie e il liquido, ma piuttosto la differenza di pressione tra la superficie del liquido e il vapore ambientale.

Attraverso questo esperimento, gli scienziati hanno anche risposto a una domanda piuttosto semplice su come un liquido evapora a una determinata temperatura e pressione.

Pawel Keblinski, professore e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), ha dichiarato: "Mentre i teorici hanno speculato per oltre un secolo, l'esperimento è stato di scarso aiuto, poiché vedere l'interfaccia liquido-vapore in evaporazione e conoscere la temperatura e la pressione vicino alle interfacce è estremamente impegnativa."

Il successo dei ricercatori è stato in parte il risultato dell'eliminazione di altri fattori che complicano l'analisi. Ad esempio, l'evaporazione del liquido nell'aria è fortemente influenzata dalle proprietà isolanti dell'aria stessa, quindi per questi esperimenti il ​​processo è stato osservato in una camera dove erano presenti solo il liquido e il vapore, isolata dall'aria circostante.

Quindi, per sondare gli effetti proprio al confine tra il liquido e il vapore, i ricercatori hanno utilizzato una membrana molto sottile crivellata di piccoli pori per confinare l’acqua, riscaldarla e misurarne la temperatura.

Zhengmao Lu, professore di ingegneria meccanica del MIT, ha dichiarato: "Quella membrana, spessa appena 200 nanometri (miliardesimi di metro), fatta di nitruro di silicio e rivestita d'oro, trasporta l'acqua attraverso i suoi pori per azione capillare, ed è riscaldata elettricamente per causare far evaporare l'acqua. Quindi, utilizziamo quella membrana anche come sensore, per rilevare la temperatura della superficie evaporante in modo accurato e non invasivo."

"Il rivestimento dorato della membrana è fondamentale. La resistenza elettrica dell'oro varia direttamente in funzione della temperatura, quindi calibrando attentamente il sistema prima dell'esperimento, si è in grado di ottenere una lettura diretta della temperatura nel punto esatto dove avviene l'evaporazione, istante per istante, semplicemente leggendo la resistenza della membrana."

Wang ha detto: "I dati che hanno raccolto suggeriscono che la forza motrice effettiva o il potenziale trainante in questo processo non è la differenza di temperatura, ma in realtà la differenza di pressione. Questo è ciò che rende tutto ora allineato a questa curva davvero bella, che si adatta bene a ciò che la teoria lo prevederebbe."

"Anche se in linea di principio può sembrare semplice, in realtà sviluppare la membrana necessaria con i suoi pori larghi 100 nanometri, realizzati utilizzando un metodo chiamato litografia ad interferenza, e far funzionare correttamente l'intero sistema, ha richiesto due anni di duro lavoro."

Le nuove scoperte forniscono inoltre una guida agli ingegneri che progettano nuovi sistemi basati sull’evaporazione, fornendo informazioni sia sulla selezione dei migliori fluidi di lavoro per una determinata situazione, sia sulle condizioni di pressione e rimozione dell’aria ambiente dal sistema.

Joel Plawsky, professore di ingegneria chimica e biologica presso l'RPI, che non era coinvolto in questo lavoro, ha dichiarato: "L'apparato era unico e scrupolosamente difficile da fabbricare e da utilizzare. I dati erano eccezionali nella loro qualità e dettaglio. Ogni volta che si può far crollare un ampia diffusione di dati sviluppando una formulazione adimensionale, cioè che si applica altrettanto bene in un'ampia varietà di condizioni, che rappresenta un importante progresso per l'ingegneria."