Ændringer i tryk, mere end temperatur, har stor indflydelse på, hvor hurtigt væsker bliver til gas

Det er en proces, der er så grundlæggende i hverdagen - i alt fra din morgenkaffe til det enorme kraftværk, der leverer sin elektricitet - at det ofte bliver taget for givet:måden en væske koger væk fra en varm overflade.

Alligevel overraskende, denne grundlæggende proces har først nu, for første gang, blevet analyseret detaljeret på et molekylært niveau, i en ny analyse af MIT postdoc Zhengmao Lu, professor i maskinteknik og afdelingsleder Evelyn Wang, og tre andre på MIT og Tokyo University. Undersøgelsen vises i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Det viser sig, at for processen med væske-til-damp-faseændring, en grundlæggende forståelse af det er stadig relativt begrænset, "Wang forklarer." Selvom der er blevet udviklet en masse teorier, der har faktisk ikke været eksperimentelle beviser for de grundlæggende grænser for fordampningsfysik."

Det er en vigtig proces at forstå, fordi den er så allestedsnærværende. "Fordampning er udbredt i alle slags forskellige typer systemer, såsom dampgenerering til kraftværker, vandafsaltningsteknologier, membran destillation, og termisk styring, som varmerør, for eksempel, "Wang siger. Optimering af effektiviteten af ​​sådanne processer kræver en klar forståelse af dynamikken i spil, men i mange tilfælde er ingeniører afhængige af tilnærmelser eller empiriske observationer for at styre deres valg af materialer og driftsbetingelser.

Ved at bruge en ny teknik til både at kontrollere og detektere temperaturer på overfladen af ​​en fordampende væske, forskerne var i stand til at identificere et sæt universelle egenskaber, der involverer tid, tryk- og temperaturændringer, der bestemmer detaljerne i fordampningsprocessen. I processen, de opdagede, at nøglefaktoren, der afgjorde, hvor hurtigt væsken kunne fordampe, ikke var temperaturforskellen mellem overfladen og væsken, men derimod forskellen i tryk mellem væskeoverfladen og den omgivende damp.

Det "ret simple spørgsmål" om, hvordan en væske fordamper ved en given temperatur og tryk, har været ubesvaret trods mange årtiers studier, siger Pawel Keblinski, professor og leder af Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Rensselaer Polytekniske Institut (RPI), som ikke var involveret i dette arbejde. "Mens teoretikere spekulerede i over et århundrede, eksperiment var til ringe hjælp, som at se den fordampende væske-damp-grænseflade og kende temperaturen og trykket nær grænsefladerne er ekstremt udfordrende, " han siger.

Dette nye værk, Keblinski siger, "bringer os tættere på sandheden." Sammen med andre nye observationsteknikker udviklet af andre, den nye indsigt vil "bringe os på vej til endelig at kvantificere fordampningsprocessen efter et århundredes bestræbelser, " han siger.

Forskernes succes var delvist resultatet af eliminering af andre faktorer, der komplicerede analysen. For eksempel, fordampning af væske til luft påvirkes stærkt af selve luftens isolerende egenskaber, så for disse eksperimenter blev processen observeret i et kammer med kun væsken og dampen til stede, isoleret fra den omgivende luft. Derefter, for at undersøge virkningerne lige ved grænsen mellem væsken og dampen, forskerne brugte en meget tynd membran fyldt med små porer til at begrænse vandet, varm det op, og måle dens temperatur.

Den membran, kun 200 nanometer (milliarder af en meter) tyk, lavet af siliciumnitrid og belagt med guld, fører vand gennem sine porer ved kapillærvirkning, og opvarmes elektrisk for at få vandet til at fordampe. Derefter, "vi bruger også den membran som sensor, at registrere temperaturen på den fordampende overflade på en præcis og ikke -invasiv måde, "Siger Lu.

Guldbelægningen af ​​membranen er afgørende, tilføjer han. Guldets elektriske modstand varierer direkte som funktion af temperaturen, så ved omhyggeligt at kalibrere systemet før eksperimentet, de er i stand til at få en direkte aflæsning af temperaturen på det nøjagtige sted, hvor fordampning finder sted, øjeblik for øjeblik, simpelthen ved at aflæse membranens modstand.

De data, de indsamlede, "antyder, at den faktiske drivkraft eller drivkraft i denne proces ikke er forskellen i temperatur, men faktisk trykforskellen, "Wang siger." Det er det, der gør alt nu tilpasset denne virkelig flotte kurve, der stemmer godt overens med hvad teori ville forudsige, " hun siger.

Selvom det i princippet kan lyde enkelt, faktisk udvikler den nødvendige membran med sine 100 nanometer brede porer, som fremstilles ved hjælp af en metode kaldet interferenslitografi, og at få hele systemet til at fungere ordentligt tog to års hårdt arbejde, hun siger.

Samlet set, fundene hidtil "er i overensstemmelse med, hvad teorien forudsiger, "Lu siger, men det er stadig vigtigt at have den bekræftelse. "Mens teorier har forudsagt ting, der har ikke været eksperimentelt bevis for, at teorierne er korrekte, " tilføjer Wang.

De nye fund giver også vejledning til ingeniører, der designer nye fordampningsbaserede systemer, give information om både valg af de bedste arbejdsvæsker til en given situation, samt betingelserne for tryk og fjernelse af omgivende luft fra systemet. "Ved at bruge dette system som en retningslinje kan du slags optimere arbejdsvilkårene for visse former for applikationer, "Siger Lu.

Dette hold "lavede en række elegante eksperimenter designet til at bekræfte teoretiske forudsigelser, "siger Joel Plawsky, professor i kemisk og biologisk teknik på

RPI, som ikke var involveret i dette arbejde. "Apparatet var unikt og møjsommeligt svært at fremstille og betjene. Dataene var exceptionelle i sin kvalitet og detaljer. Hver gang man kan kollapse en stor spredning af data ved at udvikle en dimensionsløs formulering, " det er, en, der gælder lige så godt under en lang række forhold, "Det repræsenterer et stort fremskridt inden for teknik, " han siger.

Plawsly tilføjer, "Der er mange spørgsmål, som dette arbejde åbner for adfærd for forskellige væsker og væskeblandinger. Man kan forestille sig mange års opfølgningsarbejde."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.