Die Physik der Verdunstung erklärt

Forscher zeigen, dass Druckänderungen stärker als die Temperatur einen großen Einfluss darauf haben, wie schnell sich Flüssigkeiten in Gas verwandeln.

Verdunstung ist der Prozess, bei dem Wasser von einer Flüssigkeit in einen Gas- oder Dampfzustand übergeht. Der Prozess ist der primäre Weg für Wasser, vom flüssigen Zustand zurück in den Wasserkreislauf als atmosphärischer Wasserdampf zu gelangen.

Verdunstung kommt im Alltag häufig vor. Wenn Sie aus der Dusche kommen, verdunstet das Wasser auf Ihrem Körper beim Trocknen. Wenn Sie ein Glas Wasser weglassen, sinkt der Wasserstand langsam, da das Wasser verdunstet.

Wissenschaftler des MIT haben den Verdunstungsprozess erstmals detailliert auf molekularer Ebene analysiert. Dazu nutzten sie eine neue Technik zur Kontrolle und Erfassung der Temperaturen an der Oberfläche einer verdampfenden Flüssigkeit. Auf diese Weise konnten sie eine Reihe universeller Merkmale identifizieren, die Zeit-, Druck- und Temperaturänderungen umfassen und die Details des Verdampfungsprozesses bestimmen.

Sie fanden heraus, dass der Schlüsselfaktor dafür, wie schnell die Flüssigkeit verdampfen konnte, nicht der Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit war, sondern vielmehr der Druckunterschied zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Umgebungsdampf.

Durch dieses Experiment beantworteten Wissenschaftler auch eine recht einfache Frage, wie eine Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck verdampft.

Pawel Keblinski, Professor und Leiter der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), sagte: „Während Theoretiker über ein Jahrhundert lang spekulierten, war das Experiment wenig hilfreich, da es die verdampfende Flüssigkeit-Dampf-Grenzfläche sah und die Temperatur kannte.“ und der Druck in der Nähe der Grenzflächen ist äußerst anspruchsvoll.“

Der Erfolg der Forscher war zum Teil darauf zurückzuführen, dass andere Faktoren, die die Analyse erschweren, eliminiert wurden. Beispielsweise wird die Verdunstung von Flüssigkeit in die Luft stark von den isolierenden Eigenschaften der Luft selbst beeinflusst. Daher wurde der Prozess für diese Experimente in einer von der Umgebungsluft isolierten Kammer beobachtet, in der nur die Flüssigkeit und der Dampf vorhanden waren.

Um die Auswirkungen direkt an der Grenze zwischen Flüssigkeit und Dampf zu untersuchen, verwendeten die Forscher dann eine sehr dünne Membran mit kleinen Poren, um das Wasser einzuschließen, es zu erhitzen und seine Temperatur zu messen.

Der MIT-Postdoktorand Zhengmao Lu, Professor für Maschinenbau, sagte: „Diese Membran, nur 200 Nanometer (Milliardstel Meter) dick, aus Siliziumnitrid und mit Gold beschichtet, transportiert Wasser durch Kapillarwirkung durch ihre Poren und wird elektrisch erhitzt, um es zu bewirken.“ Das Wasser verdunstet. Dann verwenden wir diese Membran auch als Sensor, um die Temperatur der Verdunstungsoberfläche auf genaue und nichtinvasive Weise zu erfassen.“

„Die Goldbeschichtung der Membran ist von entscheidender Bedeutung. Der elektrische Widerstand des Goldes variiert direkt in Abhängigkeit von der Temperatur. Durch eine sorgfältige Kalibrierung des Systems vor dem Experiment können sie daher die Temperatur am genauen Punkt direkt ablesen.“ wo die Verdunstung stattfindet, Moment für Moment, einfach durch Ablesen des Widerstands der Membran.“

Wang sagte: „Die von ihnen gesammelten Daten deuten darauf hin, dass die tatsächliche treibende Kraft oder das Antriebspotenzial in diesem Prozess nicht der Temperaturunterschied, sondern tatsächlich der Druckunterschied ist. Dadurch ist jetzt alles auf diese wirklich schöne Kurve ausgerichtet, die gut mit dem übereinstimmt.“ Theorie würde vorhersagen.

„Obwohl es im Prinzip einfach klingen mag, hat es zwei Jahre harter Arbeit gekostet, die notwendige Membran mit ihren 100 Nanometer breiten Poren, die mithilfe einer Methode namens Interferenzlithographie hergestellt werden, zu entwickeln und das gesamte System ordnungsgemäß funktionieren zu lassen.“

Die neuen Erkenntnisse bieten auch eine Orientierungshilfe für Ingenieure, die neue verdunstungsbasierte Systeme entwerfen, und liefern Informationen sowohl zur Auswahl der besten Arbeitsflüssigkeiten für eine bestimmte Situation als auch zu den Druckbedingungen und zur Entfernung der Umgebungsluft aus dem System.

Joel Plawsky, Professor für chemische und biologische Ingenieurwissenschaften am RPI, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war, sagte: „Der Apparat war einzigartig und mühsam herzustellen und zu bedienen. Die Daten waren außergewöhnlich in ihrer Qualität und Detailliertheit. Jederzeit kann man zusammenbrechen.“ Eine große Datenmenge durch die Entwicklung einer dimensionslosen Formulierung zu erreichen, die unter einer Vielzahl von Bedingungen gleichermaßen gut anwendbar ist, stellt einen großen Fortschritt für die Technik dar.“

„Diese Arbeit wirft viele Fragen zum Verhalten verschiedener Flüssigkeiten und Flüssigkeitsmischungen auf. Man kann sich eine Folgearbeit über viele Jahre vorstellen.“

Zum Team gehörten auch Ikuya Kinefuchi von der Universität Tokio und die Doktoranden Kyle Wilke und Geoffrey Vaartstra vom MIT. Die Arbeit wurde vom Air Force Office of Scientific Research und der National Science Foundation unterstützt.

Die Studie erscheint in der Fachzeitschrift Nature Communications.