Fordampningsdynamik i nano- og mikroskala

En ny fordampningsdynamikundersøgelse viser, at meget små dråber fordamper langsommere end forudsagt af nuværende modeller. Forskere fra Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa, i samarbejde med Institut for Fysik i PAS (IP PAS), har beskrevet fordampningsforløbet af dråber i størrelse mikrometer og nanometer. Resultatet af forskningen, præsenteret i journalen Soft Matter , er en ligning, der præcist forudsiger fordampningsforløbet for dråber i forskellige størrelser og væsker. Ligningen har mange anvendelser, herunder konstruktion af mere præcise klimamodeller og design af mere effektive forbrændingsmotorer eller køleenheder.

"Ved første øjekast, afmatningen af ​​fordampning af små dråber kan synes at være en effekt af ringe betydning. Imidlertid, hver dråbe, der fordamper i miljøet, har først været nødt til at falde til størrelsen på mikrometer og derefter nanometer, og har således passeret en fase med forsinket fordampning, "siger professor Robert Holyst (IPC PAS), og bemærker, at en sådan dynamik former klimaet på Jorden i atmosfæriske skyer. "Hvis vi tager i betragtning, at klimaet er en tilstand af en vis dynamisk ligevægt i miljøet, der relativt let forstyrres af selv tilsyneladende mindre faktorer, derefter overgangen til fordampningshastigheden af ​​små dråber overgår fra at være et problem i laboratorieskala til et globalt fænomen. "

Under fordampning, en central rolle spilles af varmestrømmen mellem dråben og miljøet. I tidligere publikationer, fysikere fra IPC PAS og IP PAS viste, at fordampning begynder at forekomme, selv når lokale temperaturforskelle kun er ti tusindedele af Kelvin. Imidlertid, transport af energi mellem væsken og miljøet behøver ikke altid at være relateret til eksistensen af ​​en temperaturgradient.

"Når et gasmolekyle nærmer sig en flydende overflade i en afstand af flere til et dusin eller mindre betyder frie veje, det stopper praktisk talt med at kollidere med andre molekyler i sit miljø. På dette tidspunkt, en typisk beskrivelse af fænomenet ved hjælp af termodynamik er ikke længere tilstrækkelig. Tæt på overfladen af ​​væsken, energitransport foregår på en anden måde, ballistisk. Gasmolekylet tager simpelthen sin energi og rammer overfladen, nogle gange flere gange, "siger Dr. Marek Litniewski (IPC PAS), medforfatter af forskningen.

Den gennemsnitlige frie vejlængde for et molekyle i luften (dvs. fra kollision med et molekyle til kollision med det næste) er op til 70 nm. Under fordampning, den ballistiske energioverførsel begynder at spille en rolle for gasmolekyler mikrometer væk fra dråbeoverfladen, hvilket i fænomenets omfang skal betragtes som en relativt stor værdi. Spørgsmålet opstår:Hvor meget energi kan overføres på denne måde, og hvor? Selvom et enkelt gasmolekyle kolliderer med et enkelt væskemolekyle, sidstnævnte er stærkere eller svagere forbundet med sine nærmeste og fjernere naboer. Som resultat, kollisionen sker mellem mange kroppe, og dens teoretiske beskrivelse bliver kompleks.

"Hvis faldet er stort, dens overflade set fra gasmolekylets synspunkt vil være praktisk talt flad. Derfor, når et sådant molekyle hopper ud af overfladen, det kan kollidere med et andet nærliggende gasmolekyle og ramme overfladen igen, deponere en anden portion energi i den. Situationen ændrer sig, når faldet falder i størrelse, og dens overflade bliver mere og mere buet. Partiklen hopper derefter generelt af overfladen en gang, hvorefter den flyver ud i rummet. Overførsel af energi til væskens indre er således mindre effektiv. Som resultat, dråberne fordamper langsommere, jo mindre de er, og processen kan sænkes mindst flere gange, "forklarer prof. Holyst.

Computeranalyser og simuleringer blev understøttet af eksperimenter udført i IP PAS af Dr. Daniel Jakubczyk. Under omhyggeligt kontrollerede forhold, et antal enkeltdrops fordampningshastigheder blev målt. Forsøgene blev udført for dråber i forskellige størrelser og for væsker, herunder vand og ethylenglycol. Det viste sig, at modellen foreslået af fysikere fra IPC PAS i alle tilfælde præcist beskrev fænomenets forløb. For at estimere, hvor hurtigt et fald vil fordampe, det var nok til kun at give to parametre:stofmasse og fordampningens entalpi.

"Fordampning finder sted rundt omkring os, altid og overalt. Videnskaben har studeret det i mere end 120 år, og vi troede, at vi har en god forståelse for det. Imidlertid, når vi ser nærmere på fordampningsprocessen, vi ser pludselig, hvor meget vi har savnet. Dette lærer os ydmyghed - og tilskynder os til at foretage yderligere forskning, "slutter prof. Holyst.