A física da evaporação explicada

Mudanças na pressão, mais do que na temperatura, influenciam fortemente a rapidez com que os líquidos se transformam em gás, mostram os pesquisadores.

A evaporação é o processo pelo qual a água passa do estado líquido para o estado gasoso ou vapor. o processo é o caminho principal para a água passar do estado líquido de volta ao ciclo da água como vapor de água atmosférico.

A evaporação geralmente ocorre na vida cotidiana. Quando você sai do banho, a água do seu corpo evapora enquanto você se seca. Se você deixar um copo de água fora, o nível da água diminuirá lentamente à medida que a água evapora.

Pela primeira vez, os cientistas do MIT analisaram o processo de evaporação em detalhes em nível molecular. Para isso, eles usaram uma nova técnica para controlar e detectar temperaturas na superfície de um líquido em evaporação. Com isso, eles conseguiram identificar um conjunto de características universais envolvendo mudanças de tempo, pressão e temperatura que determinam os detalhes do processo de evaporação.

Eles descobriram que o principal fator que determina a rapidez com que o líquido pode evaporar não é a diferença de temperatura entre a superfície e o líquido, mas sim a diferença de pressão entre a superfície do líquido e o vapor ambiente.

Por meio desse experimento, os cientistas também responderam a uma pergunta bastante simples de como um líquido evapora a uma determinada temperatura e pressão.

Pawel Keblinski, professor e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), disse: "Enquanto os teóricos especularam por mais de um século, o experimento foi de pouca ajuda, pois ver a evaporação da interface líquido-vapor e conhecer a temperatura e a pressão perto das interfaces é extremamente desafiadora."

O sucesso dos pesquisadores foi em parte resultado da eliminação de outros fatores que complicam a análise. Por exemplo, a evaporação do líquido para o ar é fortemente afetada pelas propriedades isolantes do próprio ar, portanto, para esses experimentos, o processo foi observado em uma câmara com apenas o líquido e o vapor presentes, isolados do ar circundante.

Então, para sondar os efeitos bem na fronteira entre o líquido e o vapor, os pesquisadores usaram uma membrana muito fina crivada de pequenos poros para confinar a água, aquecê-la e medir sua temperatura.

Zhengmao Lu, pós-doutorando do MIT, disse: "Essa membrana, com apenas 200 nanômetros (bilionésimos de metro) de espessura, feita de nitreto de silício e revestida com ouro, transporta água através de seus poros por ação capilar e é aquecida eletricamente para causar a água evaporar. Então, também usamos essa membrana como o sensor, para sentir a temperatura da superfície de evaporação de forma precisa e não invasiva."

"O revestimento de ouro da membrana é crucial. A resistência elétrica do ouro varia diretamente em função da temperatura, portanto, calibrando cuidadosamente o sistema antes do experimento, eles podem obter uma leitura direta da temperatura no ponto exato onde a evaporação está ocorrendo, momento a momento, simplesmente lendo a resistência da membrana."

Wang disse: "Os dados que eles coletaram sugerem que a força motriz real ou o potencial motriz neste processo não é a diferença de temperatura, mas na verdade a diferença de pressão. Isso é o que torna tudo agora alinhado a essa curva realmente agradável, que combina bem com o que a teoria poderia prever."

"Embora possa parecer simples em princípio, desenvolver a membrana necessária com seus poros de 100 nanômetros de largura, que são feitos usando um método chamado litografia de interferência, e fazer com que todo o sistema funcione corretamente levou dois anos de trabalho duro."

As novas descobertas também fornecem orientação para engenheiros que projetam novos sistemas baseados em evaporação, fornecendo informações sobre a seleção dos melhores fluidos de trabalho para uma determinada situação, bem como as condições de pressão e remoção do ar ambiente do sistema.

Joel Plawsky, professor de engenharia química e biológica da RPI, que não esteve envolvido neste trabalho, disse: "O aparelho era único e meticulosamente difícil de fabricar e operar. Os dados eram excepcionais em sua qualidade e detalhes. grande disseminação de dados por meio do desenvolvimento de uma formulação adimensional, ou seja, que se aplica igualmente bem em uma ampla variedade de condições, o que representa um grande avanço para a engenharia."