Es un proceso tan fundamental para la vida cotidiana, en todo, desde su cafetera matutina hasta la enorme planta de energía que proporciona su electricidad, que a menudo se da por sentado: la forma en que un líquido se evapora de una superficie caliente.

Sin embargo, sorprendentemente, este proceso básico solo ahora, por primera vez, ha sido analizado en detalle a nivel molecular, en un nuevo análisis realizado por el postdoctorado del MIT Zhengmao Lu, profesor de ingeniería mecánica y jefe de departamento Evelyn Wang, y otros tres en el MIT y Universidad de Tokio. El estudio apareció en la revista Nature Communications .

«Resulta que para el proceso de cambio de fase de líquido a vapor, una comprensión fundamental de eso es todavía relativamente limitada», explica Wang. «Si bien se han desarrollado muchas teorías, en realidad no ha habido evidencia experimental de los límites fundamentales de la física de evaporación».

La evaporación no se ha estudiado en detalle a nivel molecular, hasta ahora. 
La nueva investigación del MIT ha revelado detalles del proceso. technology.org

Es un proceso importante de entender porque es muy ubicuo. «La evaporación prevalece en todo tipo de sistemas de diferentes tipos, como la generación de vapor para centrales eléctricas, tecnologías de desalinización de agua, destilación de membranas y gestión térmica, como tuberías de calor, por ejemplo», dice Wang. La optimización de la eficiencia de tales procesos requiere una comprensión clara de la dinámica en juego, pero en muchos casos los ingenieros confían en aproximaciones u observaciones empíricas para guiar sus elecciones de materiales y condiciones operativas.

Al utilizar una nueva técnica para controlar y detectar las temperaturas en la superficie de un líquido que se evapora, los investigadores pudieron identificar un conjunto de características universales que implican cambios de tiempo, presión y temperatura que determinan los detalles del proceso de evaporación. En el proceso, descubrieron que el factor clave para determinar qué tan rápido podía evaporarse el líquido no era la diferencia de temperatura entre la superficie y el líquido, sino la diferencia de presión entre la superficie del líquido y el vapor ambiente.

La «pregunta bastante simple» de cómo se evapora un líquido a una temperatura y presión dadas, sigue sin respuesta a pesar de muchas décadas de estudio, dice Pawel Keblinski, profesor y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto Politécnico de Rensselaer (RPI), quien No estuvo involucrado en este trabajo. «Mientras que los teóricos especularon durante más de un siglo, el experimento fue de poca ayuda, ya que ver la interfaz líquido-vapor que se evapora y conocer la temperatura y la presión cerca de las interfaces es extremadamente difícil», dice.

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La evaporación es un proceso tan fundamental para la vida cotidiana, en todo, desde su cafetera matutina hasta la enorme planta de energía que proporciona su electricidad, que a menudo se da por sentado: la forma en que un líquido se evapora de una superficie caliente. technology.org

Este nuevo trabajo, dice Keblinski, «nos acerca a la verdad». Junto con otras nuevas técnicas de observación desarrolladas por otros, los nuevos conocimientos «nos pondrán en el camino para cuantificar finalmente el proceso de evaporación después de un siglo de esfuerzos», dijo. dice.

El éxito de los investigadores fue en parte el resultado de eliminar otros factores que complican el análisis. Por ejemplo, la evaporación del líquido en el aire se ve fuertemente afectada por las propiedades aislantes del aire, por lo que para estos experimentos se observó el proceso en una cámara con solo el líquido y el vapor presentes, aislados del aire circundante. Luego, para probar los efectos justo en el límite entre el líquido y el vapor, los investigadores usaron una membrana muy delgada llena de poros pequeños para confinar el agua, calentarla y medir su temperatura.

Esa membrana, de solo 200 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, hecha de nitruro de silicio y recubierta de oro, transporta el agua a través de sus poros por acción capilar y se calienta eléctricamente para hacer que el agua se evapore. Luego, «también usamos esa membrana como sensor, para detectar la temperatura de la superficie de evaporación de una manera precisa y no invasiva», dice Lu.

El revestimiento de oro de la membrana es crucial, añade. La resistencia eléctrica del oro varía directamente en función de la temperatura, por lo que al calibrar cuidadosamente el sistema antes del experimento, pueden obtener una lectura directa de la temperatura en el punto exacto donde se produce la evaporación, momento a momento, simplemente leyendo la resistencia de la membrana.

Los datos que recopilaron «sugieren que la fuerza motriz real o el potencial de conducción en este proceso no es la diferencia de temperatura, sino la diferencia de presión», dice Wang. «Eso es lo que hace que todo se alinee con esta curva realmente agradable, que coincide bien con lo que la teoría predeciría», dice ella.

Si bien puede sonar simple en principio, en realidad el desarrollo de la membrana necesaria con sus poros de 100 nanómetros de ancho, que se realizan utilizando un método llamado litografía de interferencia, y hacer que todo el sistema funcione correctamente requirió dos años de arduo trabajo, dice.

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En la naturaleza también podemos apreciar el estado gaseoso.

En general, los hallazgos hasta ahora «son consistentes con lo que predice la teoría», dice Lu, pero todavía es importante tener esa confirmación. «Si bien las teorías han predicho cosas, no ha habido evidencia experimental de que las teorías sean correctas», agrega Wang.

Los nuevos hallazgos también proporcionan una guía para los ingenieros que diseñan nuevos sistemas basados ​​en la evaporación, brindando información sobre la selección de los mejores fluidos de trabajo para una situación dada, así como las condiciones de presión y eliminación del aire ambiente del sistema. «Al usar este sistema como guía, puede optimizar las condiciones de trabajo para ciertos tipos de aplicaciones», dice Lu.

Este equipo  « hizo una serie de elegantes experimentos diseñados para confirmar las predicciones teóricas», dice Joel Plawsky, profesor de ingeniería química y biológica en

RPI, que no estuvo involucrado en este trabajo. “El aparato era único y laboriosamente difícil de fabricar y operar. Los datos fueron excepcionales en su calidad y detalle. Cada vez que se puede colapsar una gran cantidad de datos mediante el desarrollo de una formulación sin dimensiones «, es decir, una que se aplica igualmente bien en una amplia variedad de condiciones,» eso representa un gran avance para la ingeniería «, dice.

Plawsly agrega: “Hay muchas preguntas que este trabajo abre sobre el comportamiento de diferentes fluidos y de mezclas de fluidos. Uno puede imaginar muchos años de trabajo de seguimiento «.

Fuente:https://www.technology.org/2019/06/11/experiments-reveal-the-physics-of-evaporation/


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