Ученые исследуют испарение на наноуровне

Про испарение известно всем, поэтому каждый считает, что данное явление легко объяснить. А ведь всем известно, что внешность бывает обманчива и, порой за, кажется, элементарным процессом, кроется много тайн и загадок. В последнее время, обнаруживается все больше, ранее неизвестных механизмов испарения. Эксперименты и расчеты, проведенные в Институте Физико-Химических исследований и Институте Физики Польской Академии Наук, показали, что процесс испарения играет важную роль еще на наноуровне, сообщает telegrafist.net.

Слишком жарко? Это может быть не потому, что на улице просто лето. Но возможно, пот с вашей кожи испаряется недлстаточно эффективно.  Испарение влияет на «климат» внутри вашего организма, но не менее важен процесс испарения и для климата всей планеты. Теперь, благодаря опытам и расчетам научных коллективов Института Физико-Химических исследований (IPC PAS) и Института Физики Польской Академии Наук (IP PAS),  секреты испарения раскрыты.

«Обычно, можно легко предсказать, что будет в начале или в конце какого-либо физического процесса. А вот ответить на вопрос, почему это происходит и почему именно так, не всегда просто. При испарении капель, как давно известно, температура до начала испарения и после ее завершения, всегда одинаковая, но что происходит между двумя этими моментами? На этот вопрос мы и попытались найти ответ», — говорит профессор Robert Hołyst (IPC PAS).

Существуют теоретические модели процесса испарения, которые предполагают, что скорость испарения зависит от того, насколько быстро молекулы отделяются от поверхности жидкости. Измерения показали, что при испарении барьер формируется на поверхности капли, мешая молекулам переходить их жидкости в пар и обратно. Эксперименты, недавно проведенные исследователями по всему миру,  показали однако, что такого барьера не существует, и, фактически, каждая молекула, попадающая на жидкую поверхность уже не отделяется от нее. Исследователи заметили резкий скачок температур на границе между каплей и окружающей средой, и обнаружили, что давление во время испарения, остается постоянным.

Приняв это во внимание, исследовательская группа профессора Hołyst’а решили использовать компьютерное моделирование, чтобы проанализировать испарение капель на наноуровне. В это же время, команда Института Физики PAS осуществляла другой эксперимент на сверхточных приборах. Проводили испарение микрокапель внутри электродинамической ловушки. Результаты исследования показали, что температура испаряющейся жидкости является главным фактором, ответственным за испарение капель.

Экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования охватывают 12 порядков испарения и 3 порядка величины изменения радиуса капли. В экспериментах скорость испарения прецизионно регулируется даже очень небольшая разница в температурах (в интервале от одной десятой мК до нескольких K) между газом вдали от капли и температурой испарения жидкости.

Новая формула предложенная по результатмам исследователями из МПК PAS правильно описывает ход процесса, как для типичных, крупных капель, так и для крошечных капель с размерами порядка нанометров.

«Испарением теперь оказывается процесс, движимый очень маленькой разницей температур. Часто, только десятитысячной части Кельвина достаточно, чтобы испарение уже случилось!», Говорит д-р инж. Даниэль Jakubczyk (IP PAS).

Из-за столь малого перепада температур каждая капля оказывается окружена облаком собственного пара.

Ключевую роль в испарении играет тепловой поток между каплей и его окрестностях. И это мешает в случае небольших размеров объектов, так как каждая капля окружена тонким слоем собственного пара. «Тепловая изоляция здесь напоминает ситуацию имеющую место при быстрой разморозке. Каждый знает, что, как мы все видели капли воды скользящие по горячей сковороде. Если поток тепла между кастрюлей и капля был бы действительно эффективным, капелька будет кипеть и испаряться мгновенно. Это, однако, не происходит, так как частицы скользят по паров воды, образуя изолирующий слой между каплей и горячей поверхностью» , объясняет профессор Hołyst.

Теплоизоляционный слой, образуя вокруг испаряющейся капли, достаточно толст, чтобы эффективно сдерживать поток тепла. Толщина слоя зависит, однако, в первую очередь от условий окружающей среды и не связана с размером капель. Вот почему нанометрового размера капли «чувствует» толстый изолирующий слой (по сравнению с ее размером) и испаряется медленнее, чем следовало бы, согласно классической теории. Из-за размеров нанокапель, изолирующий слой на их поверхности, как правило, содержит не так много молекул. Это разрежение является дополнительным изолирующим механизмом, ограничивая поток энергии за счет молекулярного режима движения и низкой эффективности передачи ИК-излучения и поглощения в этой конфигурации.

По материалам http://www.sciencedaily.com

исследователи,  молекулы,  климат 

20.07.2013, 5612 просмотров.