24.11.2017
PL EN
27.10.2017 aktualizacja 06.11.2017

Małe krople zaskakują: parują wolniej niż „powinny”

Małe krople, o rozmiarach mikro- i nanometrowych, zaskoczyły badaczy: parują wolniej niż wynikałoby to z dotychczasowych przewidywań. Za spowolnienie odpowiada balistyczny transfer energii między cząsteczkami gazu a powierzchnią cieczy – analogiczny do mechanizmu napędzającego wahadło Newtona. Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski Małe krople, o rozmiarach mikro- i nanometrowych, zaskoczyły badaczy: parują wolniej niż wynikałoby to z dotychczasowych przewidywań. Za spowolnienie odpowiada balistyczny transfer energii między cząsteczkami gazu a powierzchnią cieczy – analogiczny do mechanizmu napędzającego wahadło Newtona. Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Wydawałoby się, że o parowaniu wiemy już wszystko. Tymczasem mamy kolejną niespodziankę: małe krople okazują się być maruderami i parują wolniej od swych większych odpowiedników, stwierdzili fizycy z warszawskich instytutów Polskiej Akademii Nauk.

Rzecz dotyczy nie tylko wody, ale także innych cieczy: okazuje się, że bardzo małe krople parują wolniej niż przewidują obecne modele zjawiska! Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie we współpracy z Instytutem Fizyki PAN (IF PAN) za pomocą analiz teoretycznych, symulacji komputerowych i doświadczeń opisali przebieg parowania kropel o rozmiarach mikro- i nanometrowych (a więc sięgających miliardowych części metra). O badaniach poinformował IChF PAN w przesłanym PAP komunikacie.

Efektem badań, przedstawionych w czasopiśmie „Soft Matter” (DOI: 10.1039/c7sm00804j), jest wzór dokładnie oddający przebieg parowania dla kropel o różnych rozmiarach i dla różnych cieczy. Wzór ten może znaleźć zastosowanie m.in. przy budowie dokładniejszych modeli klimatycznych, a także podczas projektowania bardziej wydajnych silników spalinowych czy urządzeń chłodzących - zapewniono w komunikacie.

„Na pierwszy rzut oka opisane przez nas spowolnienie szybkości parowania małych kropli może się wydawać efektem bez większego znaczenia. Trzeba jednak pamiętać, że każda kropla, która zakończyła swój >>żywot<<, bo odparowała do otoczenia, musiała zmniejszyć się do rozmiarów najpierw mikro-, a następnie nanometrowych, a zatem przechodziła przez fazę spowolnionego parowania” - podkreśla prof. Robert Hołyst (IChF PAN).

Badacz zauważa, że strukturami zbudowanymi z ogromnej liczby małych kropel są na przykład chmury, które w istotnej części kształtują klimat naszej planety. „Jeśli weźmiemy pod uwagę, że klimat to stan pewnej dynamicznej równowagi w środowisku, względnie łatwej do zaburzenia nawet przez pozornie drobne czynniki, to badane przez nas spowolnienie szybkości parowania małych kropel z zagadnienia o skali laboratoryjnej nagle staje się zjawiskiem o zasięgu globalnym” - zaznacza cytowany w komunikacie IChF PAN naukowiec.

Podczas parowania kluczową rolę odgrywa przepływ energii między kroplą a otoczeniem. Naukowcy z IChF PAN w badaniach zwrócili uwagę nie tylko na różnice temperatur między cieczą a otoczeniem, ale i na to, jak zderzają się ze sobą cząsteczki cieczy i otaczającego ją gazu. I jak podczas tych zderzeń molekuły przekazują sobie energię.

„Jeśli kropla jest duża, jej powierzchnia z punktu widzenia cząsteczki gazu będzie praktycznie płaska (tak jak ludziom płaską wydaje się kulista Ziemia - przyp. PAP). Gdy więc taka cząsteczka odbije się od powierzchni, może się zderzyć z inną cząsteczką gazu w pobliżu i znów uderzyć w powierzchnię, deponując w niej kolejną porcję energii. Sytuacja się zmienia, gdy kropla maleje i jej powierzchnia staje się coraz bardziej zakrzywiona. Cząsteczka odbija się wtedy od powierzchni na ogół raz, po czym odlatuje w przestrzeń. Przekaz energii do wnętrza cieczy jest więc mniej efektywny. W rezultacie krople parują tym wolniej, im są mniejsze, a przebieg procesu może być spowolniony co najmniej kilkukrotnie” - opowiada prof. Hołyst.

Współautor badań dr hab. Marek Litniewski (IChF PAN) wyjaśnia, że gdybyśmy obserwowali parowania w ogromnym powiększeniu, typowy opis zjawiska za pomocą metod termodynamiki przestaje wystarczać. "Blisko powierzchni cieczy transport energii zachodzi inaczej, balistycznie: cząsteczka gazu po prostu niesie swoją energię i uderza w powierzchnię, niekiedy wielokrotnie" - mówi. A okazuje się, że podczas parowania balistyczny przekaz energii zaczyna odgrywać rolę już dla cząsteczek gazu odległych od powierzchni kropli o mikrometry, co w skali zjawiska należy uznać za wartość stosunkowo dużą.

Analizy i symulacje komputerowe prowadzone w IChF PAN wsparto eksperymentami przeprowadzonymi w IF PAN przez dr. inż. Daniela Jakubczyka. W starannie kontrolowanych warunkach dokonano tu szeregu pomiarów szybkości parowania pojedynczych kropel. Doświadczenia przeprowadzono dla kropel o różnych rozmiarach i dla tak różnych cieczy, jak woda czy glikol etylenowy (alkohol, składnik płynów chłodzących) - poinformowano w komunikacie. Okazało się, że wzór zaproponowany przez fizyków z IChF PAN we wszystkich przypadkach dokładnie opisywał przebieg zjawiska.

Badania nad parowaniem sfinansowano z grantu OPUS Narodowego Centrum Nauki.

„Parowanie zachodzi wokół nas, zawsze i wszędzie. Nauka bada je dokładniej od ponad 120 lat i do tej pory wszyscy żyliśmy w przekonaniu, że dobrze rozumiemy przebieg tego zjawiska. Gdy jednak sięgamy ku szczegółom procesu parowania, nagle widzimy, jak dużo przeoczyliśmy. To uczy pokory – i zachęca do dalszych badań” -podsumowuje prof. Hołyst.

autor: Ludwika Tomala (PAP)

 

Nauka w Polsce

 

lt/ agt/

Partners

Copyright © Fundacja PAP 2017