Gli esperimenti rivelano la fisica dell'evaporazione

Durante il processo della fisica dell'evaporazione i cambiamenti di pressione, più della temperatura, influenzano fortemente la velocità con cui i liquidi si trasformano in gas.

È un processo così fondamentale per la vita di tutti i giorni - in ogni cosa, dalla tua caffettiera mattutina alla grande centrale elettrica - che spesso è dato per scontato: il modo in cui un liquido si allontana da una superficie calda.

Eppure sorprendentemente, questo processo di base è stato solo ora, per la prima volta, analizzato in dettaglio a livello molecolare, in una nuova analisi del dottor Zhengmao Lu, (1) del del Massachusetts Institute of Technology, professore di ingegneria meccanica e capo del dipartimento della scienziata Evelyn Wang, (2) e altri tre al Massachusetts Institute of Technology e all'Università di Tokyo. Lo studio appare sulla rivista Nature Communications.

La dottoressa Evelyn Wang spiega: “Si scopre che per il processo di cambiamento di fase liquido-vapore, una comprensione fondamentale è ancora relativamente limitata. Sebbene siano state sviluppate molte teorie, in realtà non ci sono prove sperimentali dei limiti fondamentali della fisica dell'evaporazione. È un processo importante da capire perché è così onnipresente. L'evaporazione è prevalente in diversi tipi di sistemi come la generazione di vapore per centrali elettriche, le tecnologie di desalinizzazione dell'acqua, la distillazione a membrana e la gestione termica, come ad esempio i tubi di calore. Ottimizzare l'efficienza di tali processi richiede una chiara comprensione delle dinamiche in gioco, ma in molti casi gli ingegneri fanno affidamento su approssimazioni o osservazioni empiriche per guidare le loro scelte di materiali e condizioni operative.”

Utilizzando una nuova tecnica per controllare e rilevare le temperature sulla superficie di un liquido, i ricercatori sono stati in grado di identificare un insieme di caratteristiche universali correlate ai cambiamenti di tempo, pressione e temperatura che determinano i dettagli del processo di evaporazione. Nel processo, hanno scoperto che il fattore chiave, che determinava la velocità di evaporazione del liquido, non era la differenza di temperatura tra la superficie e il liquido ma piuttosto la differenza di pressione tra la superficie del liquido e il vapore ambientale.

Secondo il dottor Pawel Keblinski, (3) professore e capo del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria presso il Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), non coinvolto in questo lavoro, la domanda piuttosto semplice di come un liquido evapora a una data temperatura e pressione è rimasta senza risposta nonostante molti decenni di studio. A tal proposito egli sostiene: “questo nuovo lavoro ci avvicina alla verità. Insieme ad altre nuove tecniche di osservazione sviluppate da altri, le nuove intuizioni ci metteranno sulla strada per quantificare finalmente il processo di evaporazione dopo un secolo di sforzi.”

Il successo dei ricercatori è stato in parte il risultato dell'eliminazione di altri fattori che complicano l'analisi. Ad esempio, l'evaporazione del liquido nell'aria è fortemente influenzata dalle proprietà isolanti dell'aria stessa, quindi per questi esperimenti il processo è stato osservato in una camera con solo il liquido e il vapore presenti, isolati dall'aria circostante. Quindi, al fine di sondare gli effetti proprio al confine tra il liquido e il vapore, i ricercatori hanno usato una membrana molto sottile piena di piccoli pori per confinare l'acqua, riscaldarla e misurarne la temperatura.

Quella membrana, appena 200 nanometri (miliardesimi di metro) di spessore, fatta di nitruro di silicio e rivestita di oro, trasporta l'acqua attraverso i suoi pori tramite azione capillare ed è riscaldata elettricamente per far evaporare l'acqua. Quindi, “usiamo anche quella membrana come sensore per rilevare la temperatura della superficie di evaporazione in modo accurato e non invasivo”, afferma il dottor Zhengmao Lu.

Il rivestimento in oro della membrana è fondamentale, aggiunge lo scienziato. La resistenza elettrica dell'oro varia direttamente in funzione della temperatura, quindi calibrando attentamente il sistema prima dell'esperimento, si ottiene una lettura diretta della temperatura nel punto esatto in cui avviene l'evaporazione, momento per momento, semplicemente leggendo la resistenza della membrana.

La dottoressa Evelyn Wang spiega: “i dati raccolti suggeriscono che l'effettiva forza trainante o potenziale di guida in questo processo non è la differenza di temperatura, ma in realtà la differenza di pressione. Questo è ciò che rende tutto ora allineato a questa dinamica davvero interessante che si adatta bene a ciò che la teoria avrebbe previsto. Anche se può sembrare semplice in linea di principio, in realtà si è costruita la membrana necessaria con i suoi pori larghi 100 nanometri, che sono costruiti usando un metodo chiamato litografia di interferenza. La messa in funzione di tutto il sistema ha richiesto due anni di duro lavoro. Nel complesso, gli attuali risultati sono coerenti con ciò che la teoria prevede, ma è ancora importante avere tale conferma. Le teorie hanno predetto determinate ipotesi, ma non sono ancora emerse prove sperimentali che possano avvalorare la correttezza di tali teorie.”

Le nuove scoperte forniscono inoltre indicazioni per gli ingegneri che progettano nuovi sistemi basati sull'evaporazione, fornendo informazioni sia sulla selezione dei migliori fluidi di lavoro per una determinata situazione, sia sulle condizioni di pressione e rimozione dell'aria ambientale dal sistema.

Il dottor Joel L. Plawsky, (4) professore di ingegneria chimica e biologica presso l'RPI, che non è stato coinvolto in questo lavoro, asserisce: “questa squadra ha fatto una serie di esperimenti progettati per confermare le previsioni teoriche. L'apparato era unico e faticosamente difficile da fabbricare. I dati erano eccezionali per qualità e dettaglio. Ogni volta che si può far collassare una grande quantità di dati sviluppando una formulazione adimensionale, che si applica ugualmente bene in un'ampia varietà di condizioni, si raggiunge un importante progresso per l'ingegneria. Questo lavoro fa nascere molti quesiti sul comportamento di diversi fluidi e di miscele di fluidi. È immaginabile un lavoro di follow-up di molti anni.”

Il team ha inoltre incluso il dottor Ikuya Kinefuchi (5) ricercatore presso l'Università di Tokyo e gli studenti universitari Kyle Wilke e Geoffrey Vaartstra al MIT. Il lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio aeronautico della ricerca scientifica e dalla National Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Zhengmao Lu

(2) Evelyn Wang

(3) Pawel Keblinski

(4) Joel L. Plawsky

(5) Ikuya Kinefuchi

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Experiments reveal the physics of evaporation