Naukowcy instytutu PAN odkrywają tajemnice parowania :: Artykuły / Polski Serwis Naukowy

Polecamy również:

Polscy naukowcy nie muszą "jechać z tyłu"

Niebieska Karta - wyjaśnienie terminu; procedura "Niebieskie Karty"

Konkurs dla naukowców-fotografów - "Nauka w obiektywie"

Naukowcy zaskoczeni pierwszą próbą "wielkiego zderzacza"

Ruszyła kampania "Lecz nadciśnienie skutecznie"

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. LT

PAP - Nauka w Polsce

agt/bsz

komentuj publikację

Czy wiesz że...?

wersja BETA

Ciepło parowania (oznaczane L) - ilość energii potrzebnej do odparowania jednostki masy danej substancji, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W układzie SI jednostką ciepła parowania jest J/kg. Stosuje się też jednostkę J/mol. pełny tekst

Punkt krytyczny wody (temperatura krytyczna wody) to temperatura, powyżej której faza lotna wody staje się gazem. W stanie krytycznym ciepło parowania oraz napięcie powierzchniowe wody są równe zeru. Powyżej temperatury krytycznej niemożliwe jest skroplenie wody, bez względu na ciśnienie. pełny tekst

Ciepło parowania (oznaczane L) - ilość energii potrzebnej do odparowania jednostki masy danej substancji, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W układzie SI jednostką ciepła parowania jest J/kg. Stosuje się też jednostkę J/mol. pełny tekst

Kriofor - szklane urządzenie, za pomocą którego można zaprezentować zjawisko parowania i wrzenia wody pod zmniejszonym ciśnieniem . Kriofor składa się z dwóch połączonych wygiętą rurką szklanych zbiorników. W jednym zbiorniku znajduje się trochę wody, resztę objętości wypełnia nasycona para wodna (brak powietrza). Drugi, pusty zbiornik podczas pokazu jest zanurzany w mieszaninie oziębiającej (kawałki lodu zmieszane z solą kuchenną) lub w ciekłym azocie. W niskiej temperaturze para wodna zestala się (resublimuje) na wewnętrznych ściankach zbiornika, wskutek czego ciśnienie pary maleje. Przy intensywnym chłodzeniu można zaobserwować wrzenie wody, po pewnym czasie woda w zbiorniku zamarza. Woda wrze, ponieważ w niskiej temperaturze obniża się temperatura parowania, a zamarza dlatego, że na skutek znacznego obniżenia ciśnienia pary wodnej w zbiorniku, woda gwałtownie paruje, a parując, pobiera ciepło obniżając temperaturę wody aż dochodzi do krzepnięcia pozostałej wody. pełny tekst

Para mokra to mieszanina pary nasyconej i cieczy nasyconej. Ma temperaturę równą temperaturze parowania cieczy przy danym ciśnieniu, czyli temperaturze nasycenia. Przykładem pary mokrej jest para wydobywająca się z czajnika. pełny tekst

Moduł "Czy wiesz że...?" (wersja testowa, beta): definicje/pojęcia wygenerowane w obrębie tego modułu pochodzą z Wikipedii i udostępniane są na licencji Creative Commons: uznanie autorstwa, na tych samych warunkach, z możliwością obowiązywania dodatkowych ograniczeń. Dostęp do pełnej wersji każdego hasła (oraz dokładnch informacji na temat licencji, autora oraz edycji) możliwy jest po kliknięciu w odnośnik opisany jako "pełny tekst".