Parowanie jest zjawiskiem tak powszechnym, że wydaje się, iż wiemy o nim wszystko. To jednak nieprawda. Niedawno odkryto nowy mechanizm parowania, którego naukowcy nawet nie przewidywali. Eksperymenty i symulacje prowadzone przez naukowców Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Fizyki PAN nie tylko potwierdzają istnienie tego mechanizmu, ale wskazują, że w procesie parowania w nanoskali pełni on główną rolę.
Parowanie decyduje o tym, jak w gorące dni radzimy sobie z ciepłem, jak szybko schnie nam pranie. Ma też zasadnicze znaczenie dla klimatu całej Ziemi. Mimo powszechności tego zjawiska, po 130 latach badań naukowcy nadal nie w pełni rozumieli jego przebieg. Dopiero teraz, za sprawą naukowców Polskiej Akademii Nauk niektóre tajemnice parowania wreszcie ujrzały światło dzienne.
"Zwykle dość łatwo przewidzieć, jaki będzie początek lub koniec danego procesu fizycznego czy chemicznego. Odpowiedź na pytanie, jaką ścieżkę realizacji procesu wybiera natura, jest już znacznie trudniejsza. W przypadku parujących kropel od dawna było wiadome, że temperatury przed rozpoczęciem parowania i po jego zakończeniu są takie same. Ale co zachodzi między tymi chwilami, gdy wszystko dopiero się dzieje? To było pytanie, na które nie znaliśmy dobrej odpowiedzi", mówi prof. dr hab. Robert Hołyst (IChF PAN).
Dotychczasowe modele teoretyczne tego procesu zakładały, że szybkość parowania zależy od tempa przyłączania się lub odrywania cząsteczki od powierzchni cieczy. Pomiary wskazywały jednak, że na powierzchni kropel powinna się wtedy tworzyć bariera utrudniająca cząsteczkom przechodzenie od fazy ciekłej do gazowej lub odwrotnie. Niedawne eksperymenty grup badawczych na świecie dowiodły jednak, że takiej bariery nie ma i praktycznie każda cząsteczka, która pada na powierzchnię cieczy, już się od niej nie odrywa. Zauważono też, że na granicy między kroplą a otoczeniem pojawia się wyraźny skok temperatury a ciśnienie podczas parowania pozostaje stałe. Dotychczasowe modele tego nie przewidywały.
Grupa prof. Hołysta przeprowadziła symulacje komputerowe parowania kropel o rozmiarach nanometrowych. Równolegle zespół badaczy IF PAN prowadził - technicznie bardzo trudne - pomiary w rzeczywistych układach, na mikrokroplach parujących wewnątrz pułapki elektrodynamicznej. Badano miedzy innymi parowanie wody do własnej pary w powietrzu, wody do powietrza, glikolu i glicerolu do azotu oraz argonu do własnej pary. Otrzymane wyniki wskazują, że głównym czynnikiem odpowiedzialnym za parowanie kropel jest temperatura parującej cieczy.
"Parowanie okazuje się procesem napędzanym bardzo małymi różnicami temperatury. Aby zachodziło, często wystarczą zaledwie dziesięciotysięczne części kelwina!", mówi dr inż. Daniel Jakubczyk z IF PAN. Kluczową rolę podczas parowania odgrywa przepływ ciepła między kroplą a otoczeniem. W przypadku obiektów o małych rozmiarach utrudnia go cienka warstwa własnej pary.
"Działający tu mechanizm izolacji termicznej jest podobny do efektu Leidenfrosta. Znamy go wszyscy, bo wszyscy widzieliśmy krople wody ślizgające się na gorącej patelni czy spodzie żelazka. Gdyby przepływ ciepła między patelnią a kroplą był naprawdę wydajny, krople by wrzały i parowały błyskawicznie. Tak się nie dzieje, bo między kroplami a gorącą powierzchnią jest warstwa izolatora, pary wodnej, na której ślizgają się krople", wyjaśnia prof. Hołyst.
Warstwa izolująca, formująca się wokół parującej kropli, jest wystarczającą gruba, by skutecznie hamować przepływ ciepła. Jednak grubość tej warstwy zależy przede wszystkim od warunków panujących w otoczeniu i nie ma związku z rozmiarami samych kropel. Dlatego kropla nanometrowa "odczuwa" grubszą (w stosunku do swoich rozmiarów) warstwę izolacji i paruje wolniej niż wynikałoby to z szybkości parowania kropel mikrometrowych czy milimetrowych. Co więcej, z uwagi na rozmiary nanokropel, w warstwie izolującej przy ich powierzchni w ogóle znajduje się mało cząsteczek. To dodatkowy mechanizm izolujący, ograniczający przepływ energii do mało wydajnych zjawisk związanych z emisją i absorbcją promieniowania podczerwonego.
Nowy wzór opisujący parowanie, podany przez naukowców z IChF PAN, poprawnie opisuje przebieg procesu zarówno dla typowych, dużych kropel, jak i tych bardzo małych, o rozmiarach zbliżonych do pojedynczych nanometrów. "Małe krople mogą wyparować w czasie nanosekund, dużym zajmuje to nawet kilkadziesiąt minut. Eksperymenty potwierdziły, że mimo tak dużej rozpiętości czasowej, aż kilkunastu rzędów wielkości, nasz wzór poprawnie opisuje przebieg tych wszystkich procesów", podkreśla współautor badań dr hab. Marek Litniewski (IChF PAN).
Wyniki prac naukowców z IChF PAN i IF PAN, opublikowane w czasopiśmie "Soft Matter", znajdą zastosowanie w wielu obszarach, m.in. w nanotechnologiach i inżynierii materiałowej, badaniach klimatu i efektu cieplarnianego, a także w meteorologii. Są szansę, że pomogą też w budowie nowych, bardziej wydajnych silników spalinowych.
Na podstawie informacji prasowej Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
