Forskning i havvands overfladespænding bliver international retningslinje

Egenskaben ved vand, der gør det muligt for en insekt at skumme overfladen af ​​en dam eller holder en omhyggeligt placeret papirclips svævende på toppen af ​​en kop vand, er kendt som overfladespænding. Det er vigtigt at forstå vandets overfladespænding i en lang række applikationer, herunder varmeoverførsel, afsaltning, og oceanografi. Selvom man ved meget om overfladespændingen af ​​ferskvand, meget lidt har været kendt om overfladespændingen af ​​havvand - indtil for nylig.

I 2012 John Lienhard, Abdul Latif Jameel professor i vand og maskinteknik, og daværende kandidatstuderende Kishor Nayar SM '14, Ph.D. '19 påbegyndt et forskningsprojekt for at forstå, hvordan havvandets overfladespænding ændrer sig med temperatur og saltholdighed. To år senere, de offentliggjorde deres resultater i Journal of Physical and Chemical Reference Data. Dette forår, International Association for Properties of Water and Steam (IAPWS) meddelte, at de havde anset Lienhard og Nayars arbejde som en international retningslinje.

Ifølge IAPWS, Lienhard og Nayars forskning "præsenterer en korrelation for overfladespændingen af ​​havvand som funktion af temperatur og saltholdighed." Annonceringen af ​​retningslinjen markerede afslutningen på otte års arbejde med snesevis af samarbejdspartnere fra MIT og over hele kloden.

"Dette projekt voksede ud af mit arbejde med afsaltning. Inden for afsaltning, du har brug for at vide om overfladespændingen af ​​vand, fordi det påvirker, hvordan vand bevæger sig gennem porerne i en membran, " forklarer Lienhard, en verdensførende ekspert i afsaltning - den proces, hvorved saltvand behandles til drikkevand.

Lienhard foreslog Nayar at tage målinger af havvands overfladespænding og sammenligne resultaterne med overfladespændingen af ​​rent vand. Som de snart ville finde ud af, at få pålidelige data fra saltvand ville vise sig at være utroligt svært.

"Vi havde oprindeligt troet, at disse eksperimenter ville være ret enkle at udføre, at vi er færdige om en måned eller to. Men da vi begyndte at undersøge det, vi indså, at det var et meget sværere problem at tackle, siger Lienhard.

Fra begyndelsen, Nayar håbede at få nok nøjagtige data til at informere en ejendomsstandard. Det ville kræve, at usikkerheden i målingerne er mindre end 1 procent.

"Når man taler om ejendomsmålinger, du skal være så præcis som muligt, " forklarer Nayar. Den første forhindring, han skulle overvinde for at opnå dette niveau af nøjagtighed, var at finde den passende instrumentering til at foretage pålidelige målinger - noget, der viste sig ikke at være nogen let bedrift.

Måling af overfladespænding

For at måle overfladespændingen af ​​vand, Lienhard og Nayar slog sig sammen med Gareth McKinley, professor i maskinteknik, og daværende kandidatstuderende Divya Panchanathan SM '15, Ph.D. '18. De begyndte med en enhed kendt som en Wilhelmy-plade, som finder overfladespændingen ved at sænke en lille platinplade ned i et bæger med vand og derefter måle den kraft vandet udøver, når pladen hæves.

Nayar og Panchanathan kæmpede for at måle overfladespændingen af ​​saltvand ved højere temperaturer. "Det problem, vi blev ved med at finde, var, når temperaturen var over 50 grader Celsius, vandet på bægeret fordampede hurtigere, end vi kunne tage målingerne, " siger Nayar.

Intet instrument ville tillade dem at få de data, de havde brug for - så Nayar henvendte sig til MIT Hobby Shop. Ved hjælp af en drejebænk, han byggede et specielt låg til bægerglasset til at holde damp i.

"Det lille låg, som Kishor byggede, havde nøjagtigt skårne døre, der gjorde det muligt for ham at sætte en overfladespændingssonde gennem låget uden at lade vanddamp komme ud, " forklarer Lienhard.

Efter at have gjort fremskridt med at indhente data, holdet led et massivt tilbageslag. De fandt ud af, at saltskæl, der næsten ikke var synlige, som dannede sig på deres testbæger over tid, havde indført fejl i deres målinger. For at få de mest nøjagtige værdier, de besluttede at bruge friske nye bægre til hver eneste test. Som resultat, Nayar måtte gentage ni måneders arbejde lige før hans kandidatafhandling skulle afleveres. Heldigvis, da hovedproblemet blev identificeret og løst, eksperimenter kunne gentages meget hurtigere.

Nayar var i stand til at lave eksperimenterne om til tiden. Holdet målte overfladespænding i havvand fra stuetemperatur til 90 grader Celsius og saltholdighedsniveauer fra rent vand til fire gange saltholdigheden af ​​havvand. De fandt ud af, at overfladespændingen falder med omkring 20 procent, når vandet går fra stuetemperatur til kogning. I mellemtiden når saltindholdet stiger, overfladespændingen stiger også. Holdet havde afsløret mysteriet om havvands overfladespænding.

"Det var bogstaveligt talt den mest teknisk udfordrende ting, jeg nogensinde havde gjort, " husker Nayar.

Deres data havde en gennemsnitlig afvigelse på 0,19 procent, med en maksimal afvigelse på kun 0,6 procent – ​​godt inden for den grænse på 1 procent, der er nødvendig for en retningslinje.

Fra kandidatspeciale til international guideline

Tre år efter at have afsluttet sin kandidatafhandling, Nayar, til den tid en ph.d. studerende, deltog i et IAPWS-møde i Kyoto, Japan. IAPWS er ​​en nonprofit international organisation, der er ansvarlig for at udgive standarder for egenskaberne for vand og damp. der, Nayar mødtes med ledere inden for vandoverfladespænding, som havde kæmpet med de samme problemer, som Nayar havde stået over for. Disse kontakter introducerede ham til den lange, streng proces med at erklære noget for en international retningslinje.

IAPWS havde tidligere offentliggjort standarder om egenskaberne af damp udviklet af afdøde Joseph Henry Keenan, professor og engangsafdelingsleder for maskinteknik ved MIT. For at slutte sig til Keenan som forfattere af en IAPWS-standard, holdets data skulle verificeres ved målinger udført af andre forskere. Efter tre års arbejde med IAPWS, holdets arbejde blev endelig vedtaget som en international retningslinje.

For Nayar, der dimitterede med sin ph.d. sidste år og er nu senior vand-/spildevandsingeniør hos ingeniørkonsulentfirmaet GHD, meddelelsen om retningslinjen gjorde de lange måneder med at indsamle data det værd. "Det føltes som om noget blev fuldført, " husker han.

De resultater, som Nayar, Panchanathan, McKinley, og Lienhard rapporteret tilbage i 2014 er bredt anvendelige til en række brancher, ifølge Lienhard. "Det er bestemt relevant for afsaltningsarbejde, men også for oceanografiske problemer såsom kapillærbølgedynamik, " forklarer han.

Det hjælper også med at forklare, hvordan små ting - som en fejl eller en papirclips - kan flyde på havvand.

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.