Очень жарко, слишком жарко? Это не только из-за лета.
Также вероятно, что пот на вашей коже перестал испаряться достаточно эффективно. Испарение влияет на «климат» внутри нашего тела, но не менее важно для климата всей планеты — а также для того, насколько быстро сохнет белье или насколько эффективны автомобильные двигатели. Несмотря на его вездесущность в среде обитания человека, физики до сих пор не до конца понимают его ход после 130 лет исследований.
Теперь, благодаря экспериментам и моделированию, выполненным исследовательскими группами Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) и Института физики PAS (IP PAS), наконец раскрылись секреты испарения.«Обычно вы можете легко предсказать, что будет началом или концом данного физического процесса.
Ответить на вопрос, какой путь выбран природой для завершения процесса, гораздо сложнее. Что касается испаряющихся капель, это было известно с давних времен. что температуры — до начала испарения и после его завершения — были одинаковыми.
Но что происходит между этими двумя моментами времени, и когда все это происходит? Это был вопрос, на который мы не знали хорошего ответа, — говорит профессор Роберт Холист (IPC PAS).Существующие теоретические модели процесса испарения предполагали, что скорость испарения зависит от того, насколько быстро молекулы прикрепляются к поверхности жидкости или отрываются от нее. Однако измерения показали, что во время испарения на поверхности капли должен образовываться барьер, не позволяющий молекулам пересекать границу раздела жидкость-пар (или пар-жидкость).
Однако недавние эксперименты, проведенные различными исследовательскими группами по всему миру, доказали, что такой барьер не существует, и практически каждая молекула, падающая на поверхность жидкости, не отрывается от нее. Исследователи заметили также явный скачок температуры на границе раздела между каплей и окружающей средой и обнаружили, что давление остается постоянным во время испарения. Эти эффекты не были предсказаны существующими теоретическими моделями.Имея это в виду, исследовательская группа профессора Холиста решила использовать компьютерное моделирование для анализа испарения наноразмерных капель.
Одновременно команда Института физики PAS провела — технически очень сложные — измерения на реальных системах с использованием микрокапель, испаряющихся внутри электродинамической ловушки. Исследование включало изучение испарения воды в собственный пар в воздухе, гликоля и глицерина в азот и аргона в собственный пар. Результаты исследования показывают, что температура испаряющейся жидкости является основным фактором, ответственным за испарение капель.«Испарение оказывается процессом, управляемым очень небольшой разницей температур.
Часто для этого достаточно только десятитысячных долей Кельвина!» — говорит д-р инж. Даниэль Якубчик (IP PAS).
Ключевую роль в испарении играет тепловой поток между каплей и ее окружением. А это затруднено в случае предметов небольшого размера, потому что каждая капля окружена тонким слоем собственного пара.
«Действующий здесь теплоизоляционный механизм напоминает эффект Лейденфроста. Все это знают, поскольку все мы видели капли воды, скользящие по горячей сковороде или дну утюга. Если бы тепловой поток между сковородой и каплей был бы действительно эффективным, капли закипают и мгновенно испаряются.
Однако это не так, потому что капли скользят по водяному пару, образуя изолирующий слой между каплей и горячей поверхностью », — объясняет профессор Холист.Теплоизоляционный слой, образующийся вокруг испаряющейся капли, достаточно толстый, чтобы эффективно сдерживать тепловой поток. Однако толщина слоя зависит, прежде всего, от условий окружающей среды и не связана с размером капли.
Вот почему капля нанометрового размера «чувствует» более толстый изолирующий слой (по сравнению с ее размером) и испаряется медленнее, чем это следует из скоростей испарения, характерных для микрометровых или миллиметровых капель. Более того, из-за размеров нанокапель изолирующий слой на их поверхности обычно не содержит много молекул. Это дополнительный изолирующий механизм, ограничивающий поток энергии низкоэффективными режимами передачи, связанными с ИК-поглощением и излучением.
Новая формула, предложенная исследователями из IPC PAS, правильно описывает ход процесса как для типичных крупных капель, так и для крошечных капель с размерами, приближающимися к единичным нанометрам.«Маленькие капли могут испаряться за наносекунды, тогда как большие капли требуют до нескольких десятков минут. Эксперименты подтвердили, что, несмотря на такой большой промежуток времени, превышающий десятки порядков величины, наша формула правильно описывает кинетику всех эти процессы », — подчеркивает д-р Марек Литневски (IPC PAS), соавтор исследования.Выводы исследователей из IPC PAS и IP PAS, опубликованные в журнале "Soft Matter", будут использоваться во многих областях, например в нанотехнологиях и материаловедении — исследования климата и парникового эффекта (водяной пар является основным парниковым газом в атмосфере Земли), а также в метеорологии, если упомянуть лишь некоторые из них.
В технологии появляются интересные возможности, которые, в частности, могут привести к созданию новых более эффективных двигателей внутреннего сгорания.Исследования по испарению в Институте физической химии PAS финансировались за счет гранта Министерства науки и высшего образования Польши.