Tajemnice procesu parowania wyjaśnione przez polskich naukowców

Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Polscy naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Fizyki PAN wyjaśnili nieznany dotąd mechanizm parowania substancji. Jak się okazało, szybkość tego procesu zależy już od minimalnych różnic temperatury (rzędu tysięcznych stopnia kelwina) pomiędzy kroplą a jej otoczeniem.

Parowanie jest ważnym procesem, mającym wpływ na nasz organizm, klimat całej planety, większości procesów ważnych dla naszego życia i funkcjonowania. Badania nad nim są prowadzone już od około 130 lat, ale do tej pory nie znano dokładnie mechanizmu zachodzenia parowania. Na swój warsztat wzięli go polscy naukowcy z PAN.

Modele teoretyczne do tej pory zakładały, że parowanie i jego szybkość zależą od tempa przyłączania się czy odrywania cząsteczek od powierzchni danej cieczy. Jednak pomiary wskazywały, że w takiej sytuacji powinna się tworzyć na powierzchni cieczy bariera, która utrudnia przechodzenie cząsteczek z fazy ciekłej do gazowej. Było również wiadomo, że temperatury przed i po parowaniu są takie same, ale nie wiadomo było, co dzieje się pomiędzy stanem początkowym a końcowym.

Eksperymenty przeprowadzone przez polskich naukowców wskazały, że nie ma bariery utrudniającej przejście pomiędzy fazą ciekłą a gazową. Dzięki nim zauważono również, że ciśnienie podczas parowania pozostaje stałe, ale następuje skok temperatury między kroplą cieczy a jej otoczeniem. Ponieważ wcześniejsze modele nie przewidywały takich zjawisk, postanowiono stworzyć komputerowe modele parowania nanometrowych kropli. Jednocześnie prowadzono pomiary w układach rzeczywistych: na mikrokroplach parujących w pułapce elektrodynamicznej. Stwierdzono na podstawie uzyskanych rezultatów, że podstawowym czynnikiem wpływającym na parowanie jest temperatura cieczy podlegającej parowaniu, a dokładniej przepływ ciepła pomiędzy parującą kroplą a jej otoczeniem. Jest on utrudniony, ponieważ kropla jest otoczona warstwą własnej pary. Mechanizm izolacji termicznej przypomina tu tzw. efekt Leidenfrosta. Warstwa, która izoluje kroplę od otoczenia, jest na tyle gruba, aby móc hamować przepływ ciepła, ale jej grubość zależy głównie od warunków otoczenia. Nie ma zaś związku z wielkością kropli – dlatego te nanometrowe krople posiadają grubsze (w stosunku do swoich rozmiarów) warstwy izolujące i paruje wolniej niż te o większych rozmiarach.

Na podstawie przeprowadzonych badań naukowcy stworzyli nowy wzór opisujący mechanizm parowania różnego rodzaju kropli. Te badania mogą znaleźć zastosowanie w nanotechnologii, meteorologii, inżynierii materiałowej. Rezultaty pracy badaczy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Fizyki PAN można odnaleźć w czasopiśmie „Soft Matter".

(pj)