Polscy naukowcy wyjaśnili zagadki parowania

Jak przypominają naukowcy z IChF PAN, 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.