Dzięki symulacjom przeprowadzonym przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie udało się poznać mechanizmy parowania kropel do próżni lub do otoczenia wypełnionego parą badanej cieczy.
Jak przypominają naukowcy z IChF PAN w przekazanym PAP komunikacie, zjawisko parowania odgrywa wielką rolę w kształtowaniu ziemskiego ekosystemu oraz w życiu wielu organizmów, zwłaszcza ludzi, którzy wykorzystują je do stabilizowania temperatury ciała.
Przez ostatnie 130 lat wydawało się, że mechanizm parowania został dobrze poznany. Symulacje komputerowe przeprowadzone przez badaczy z IChF PAN wykazały jednak, że w stosowanym obecnie modelu były błędy. Zakończone niedawno badania pozwoliły wyjaśnić część zagadek związanych z parowaniem cieczy do próżni lub własnej pary.
"Pierwsza praca naukowa dotycząca mechanizmu parowania została napisana jeszcze przez słynnego fizyka Jamesa Clerka Maxwella. Wykazaliśmy, że zawiera ona błąd, powielany przez ostatnie 130 lat" - mówi prof. dr hab. Robert Hołyst z IChF PAN.
Polscy naukowcy opracowali własny model teoretyczny zjawiska, po czym przeprowadzili symulacje komputerowe obrazujące przebieg parowania nanokropel do ich własnej pary lub próżni. Punktem wyjścia była kropla cieczy zamknięta w naczyniu, znajdująca się w stanie równowagi ze swoją parą. W jednych symulacjach komputerowych podgrzewano wówczas ścianki, w innych usuwano parę, w jeszcze innych nie tylko usuwano parę, ale dodatkowo utrzymywano stałą temperaturę układu.
"Maxwell założył, że parowanie zachodzi w stałej temperaturze. Tak jest, gdy patrzymy na stan początkowy, czyli ciecz, i końcowy, czyli parę. Rzeczywiście ich temperatury są równe. Ale w trakcie samego procesu parowania natura działa zupełnie inaczej" - wyjaśnia dr hab. Marek Litniewski z IChF PAN. Dotychczasowy opis zakładał, że przepływ ciepła w układzie jest stały, a tempo parowania jest ograniczane przez wydajność procesu odrywania się cząsteczek od powierzchni kropli, czyli dyfuzję.
Symulacje przeprowadzone w Instytucie wykazały jednak, że podczas parowania do próżni lub własnej pary układ bardzo szybko uzyskuje równowagę mechaniczną. Z powierzchni cieczy odrywają się wtedy cząsteczki, których mechaniczny odrzut pozwala równoważyć ciśnienie wewnątrz kropli. Jeśli tempo parowania na powierzchni osiągnęło wartość maksymalną, a układ nadal nie był w stanie zrównoważyć ciśnień, wewnątrz kropli rozwierały się przestrzenie z nowymi powierzchniami - zaczynała ona wrzeć. Zaobserwowano jednak, że mechaniczne równoważenie ciśnień może być niewystarczające i wówczas na powierzchni cieczy dochodzi do spadku temperatury: kropla kosztem energii wewnętrznej dąży do utrzymania równowagi ciśnienia.
"Obserwacja ta sugeruje, że czynnikiem mającym kluczowe znaczenie podczas parowania nie jest dyfuzja cząsteczek do otoczenia, lecz przepływ ciepła oraz równość ciśnień" - uważają badacze.
"Nasze badania pokazują, że wciąż opłaca się przyglądać starym wzorom" - podkreśla prof. Hołyst.
Teraz naukowcy z IChF PAN przygotowują we współpracy z Instytutem Fizyki PAN serię eksperymentów, które pozwolą zweryfikować poprawność modelu w przypadku parowania kropel wody do powietrza.
Część eksperymentalna badań pod kątem analizy parowania do mieszaniny gazów zostanie przeprowadzona przez naukowców z IF PAN, kierowanych przez doc. dr hab. Krystynę Kolwas. Naukowcy będą chcieli rozstrzygnąć, jaki czynnik ma decydujący wpływ na parowanie w sytuacji, gdy ciśnienia od początku są wyrównane.
"Wyniki eksperymentów w połączeniu z symulacjami komputerowymi pozwolą stworzyć kompleksowy obraz procesu parowania kropel wody w warunkach maksymalnie zbliżonych do występujących w przyrodzie" - uważają przedstawiciele IChF PAN. (PAP)
lt/ agt/
