Wszystko paruje

Zjawisko parowania występuje powszechnie w naturze. Przez ostatnie 130 lat wydawało się, że mechanizm jego działania został dobrze poznany. Symulacje komputerowe przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wykazały jednak, że stosowane obecnie modele teoretyczne opierały się na błędnych założeniach. Dzięki symulacjom udało się poznać mechanizmy parowania kropel do próżni lub otoczenia wypełnionego parą badanej cieczy. Wciąż nie wiadomo, jaki mechanizm odgrywa kluczową rolę przy parowaniu do mieszaniny gazów, np. do powietrza.

Procesy parowania przebiegają nieustannie w otoczeniu każdego z nas. Zjawisko odgrywa wielką rolę w kształtowaniu ziemskiego ekosystemu oraz w życiu wielu organizmów, zwłaszcza ludzi, którzy wykorzystują je do stabilizowania temperatury ciała. – 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 w Warszawie. Zakończone niedawno symulacje komputerowe pozwoliły wyjaśnić część zagadek związanych z parowaniem cieczy do próżni lub własnej pary. Obecnie 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.

Aż 71 proc. powierzchni Ziemi pokrywają ciągle parujące oceany i morza. Ponieważ ciepło parowania wody jest bardzo duże, parowanie decyduje o ziemskim klimacie. Co więcej, w wyniku parowania zmienia się w atmosferze zawartość pary wodnej – głównego gazu cieplarnianego. Jej stężenie w powietrzu może dochodzić nawet do czterech procent, czyli wartości ponadstukrotnie większej niż w przypadku cieszącego się tak złą sławą dwutlenku węgla. Według różnych szacunków, gdyby w powietrzu nie było pary wodnej, temperatura na Ziemi spadałaby o 20-30 stopni.

Mimo powszechności parowania i jego ogromnej roli w środowisku, zjawisku poświęcano niewiele uwagi. – Również nasze badania mają, jak to się często w nauce zdarza, dość przypadkowy rodowód – opisuje prof. Hołyst. – Kilka lat temu w Instytucie Chemii Fizycznej PAN pojawiła się konieczność przetestowania nowego programu do obliczeń związanych z dynamiką płynów. Postanowiliśmy sprawdzić symulator na jakimś popularnym problemie. Wybraliśmy parowanie, bo wydawało się nam, że skoro zjawisko jest tak powszechne, a temat znany od przeszło stu lat, to wszyscy doskonale wiedzą, co się wówczas dzieje. Jednak po przeprowadzeniu obliczeń z użyciem dotychczasowych wzorów okazało się, że sporo rzeczy po prostu się nie zgadza.

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.

Podczas parowania najciekawsze wydarzenia zachodzą na granicy między cieczą a parą. Grubość tego interfejsu jest równa mniej więcej średnicy atomu. Już symulowanie parowania kropli w stosunkowo niewielkim sześcianie o bokach długości jednego metra wymagałoby przeliczania dziesiątków miliardów punktów wzdłuż każdej z trzech osi przestrzennych. Łączna liczba punktów urosłaby wówczas do biliona trylionów, co daleko wykracza poza możliwości obliczeniowe współczesnych i przyszłych komputerów. Aby poradzić sobie z tą przeszkodą, naukowcy z IChF PAN analizowali układ o rozmiarach zaledwie 1 cm, w którym parowała kropla średnicy ok. 70 mikrometrów. Dodatkowo dzięki wykorzystaniu symetrii udało się zredukować opis teoretyczny z trójwymiarowego do jednowymiarowego. Wyniki symulacji świetnie zgadzały się z dostępnymi danymi pomiarowymi.

– 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 IChF PAN 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.

Badania będą kontynuowane, tym razem pod kątem analizy parowania do mieszaniny gazów, w szczególności powietrza. Część eksperymentalna zostanie przeprowadzona przez naukowców z Instytutu Fizyki PAN (IF PAN), kierowanych przez doc. dr hab. Krystynę Kolwas. Fizycy z IF PAN już wcześniej obserwowali parowanie mikrokropel cieczy do własnej pary lub próżni. W doświadczeniach używano kropel rozmiarów mikrometrowych. Ponieważ ich powierzchnia była naładowana elektrycznie, krople można było łapać za pomocą pola elektrycznego, oświetlać laserem i rejestrując zmiany w prążkach interferencyjnych obserwować, w jaki sposób ich rozmiar zmienia się w trakcie parowania. Obecnie, dzięki nowej komorze badawczej z precyzyjnie kontrolowanym ciśnieniem i składem chemicznym atmosfery, będzie można przeprowadzić serię doświadczeń nad parowaniem do powietrza, a więc 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.

Głębsze zrozumienie mechanizmów fizycznych odpowiedzialnych za parowanie wpłynie na wiele obszarów ludzkiej działalności. Lepsze modele klimatyczne pozwolą dokładniej prognozować zmiany pogody w krótkich i długich skalach czasowych, powstaną wydajniejsze urządzenia do chłodzenia procesorów i laserów. Ponieważ w silnikach mikrokopelki paliwa wstrzyknięte do komory spalania muszą przed zapłonem odparować, wiedza o parowaniu umożliwi w przyszłości zwiększenie wydajności samochodów. – Nasze badania pokazują, że wciąż opłaca się przyglądać starym wzorom – podsumowuje prof. Hołyst.

Źródło: IChF PAN