Все испаряется, но как?

Испарение является очень распространенным явлением в природе. За последние 130 лет этот механизм, казалось, был досконально изучен. Тем не менее, компьютерное моделирование, проведенное учеными Института физической химии Академии наук Польши показало, что существующие теоретические модели были основаны на ложных предположениях. С помощью такого моделирования, можно понять механизмы испарения капель в вакууме или другой среде, наполненной парами жидкости. Однако, механизм, который играет ключевую роль в случае испарения в смесь газов, например в воздух, до сих пор непонятен. В окружающей среде испарение происходит постоянно. Это явление играет важную роль в формировании экосистемы Земли и жизни практически всех организмов, включая людей, которые, как и многие другие животные используют его для стабилизации температуры своего тела.
"Первые научные публикации, касающиеся механизма испарения были написаны знаменитым физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Мы показали, что в них содержатся ошибки, которые повторялись на протяжении последних 130 лет", говорит профессор Роберт Холист. Компьютерное моделирование, позволило решить некоторые из загадок связанных с испарением жидкости в вакууме или атмосфере из собственного пара. В настоящее время в сотрудничестве с Институтом физики ПАН, ученые готовят серию экспериментов, которые позволят им проверить правильность модели в случае испарения капель воды в воздухе. Испарение происходит непрерывно со всей поверхности нашей планеты, которая покрыта водой, а это 71%. Так как теплота испарения воды очень высокая, очевидно, что этот процесс определяет климат Земли. Более того, содержание водяного пара (основного парникового газа) в атмосфере, изменяется в результате испарения. Его концентрация в воздухе может достигать целых четыре процента, что является значением в сто раз большим, чем печально известной двуокиси углерода. По различным оценкам, если бы не было паров воды в воздухе, температура на Земле упала бы на 20-30 градусов. Хотя испарение настолько распространено, и оно играет большую роль в формировании климата и окружающей среды, довольно мало внимания было уделено этому явлению. "Наше исследование началось случайно, как это часто бывает в науке",- говорит профессор Холист. "Несколько лет назад в Институте физической химии ПАН, было необходимо проверить новую программу расчетов, связанных с гидродинамикой. Было решено проверить симулятор используя какое нибудь очень известное явление. Для этого выбрали испарение потому, что мы думали, что так как явление настолько общее и предмет был известен более ста лет, хорошо известно, что происходит в ходе этого процесса. Однако, после того как мы сделали расчеты с использованием существующих формул, оказалось, что многие вещи просто не сходятся." Польские ученые разработали свою собственную теоретическую модель этого явления, а затем создали компьютерную модель описывающую процесс испарения нанокапель в вакууме, содержащем пары этого же вещества. Отправной точкой была капля жидкости в закрытом сосуде, в равновесии со своим паром. В некоторых компьютерных моделях стенки были нагретыми, в других не было пара, а в третьих не только не было пара, но температура системы поддерживалась постоянной.

Во время испарения самые интересные события происходят на границе раздела жидкости и пара. Толщина этого слоя является более или менее равной диаметру атома. Моделирование испарения в относительно небольшом объеме (1 м³), требует расчета десятков миллиардов точек вдоль каждой из осей трехмерного пространства. Общее количество точек доходит до миллиарда триллионов, что превышает расчетные возможности современных компьютеров, и даже компьютеров будущего. Для преодоления этого препятствия, ученые проанализировали систему размером всего 1 см, в котором испаряется капля диаметром около 70 микрометров. Кроме того, благодаря использованию симметрии, они смогли уменьшить теоретическое описание от трехмерной системы до одномерной. Результаты моделирования полностью совпали с имеющимися данными измерений. "Максвелл предполагал, что испарение происходит при постоянной температуре. Это так, если мы посмотрим на исходное состояние, то есть жидкость, и конечное состояние, то есть пар - их температуры равны. Но во время самого процесса испарения, природа действует совершенно по-другому ",- объясняют исследователи. Существующие описания процесса предполагают, что перенос тепла в системе стабильный и скорость испарения ограничена интенсивностью процесса отрыва частиц от поверхности капли, т.е. диффузей. Но моделирование показало, что во время испарения в вакууме или атмосфере из собственных паров, система входит в состояние механического равновесия очень быстро. Частицы отрываются от поверхности жидкости и механическая "отдача" в каплю выравнивает давления внутри нее. Если скорость испарения на поверхности достигла максимального значения и система по-прежнему не в состоянии выровнять давление, то появляются пространства с новыми поверхностями внутри капли, и жидкость начнет кипеть. Было отмечено, что механическое уравновешивание давления может быть недостаточным, и температура поверхности жидкости уменьшается. Падение направлено на поддержание равновесного давления за счет его внутренней энергии. Это свидетельствует о том, что фактором, который имеет решающее значение в процессе испарения, является не диффузия частиц в окружающую среду, а перенос тепла и равновесие давлений. Исследования будут продолжаться, на этот раз с позиции анализа испарения в смесь газов, в частности воздух. Экспериментальная часть будет проводиться учеными из Института физики PAS, которую возглавляет профессор Кристина Колвас. Физики из PAS уже проводили исследования процесса испарения микрокапель жидкости в атмосферу из собственных паров. В экспериментах были использованы капли микрометрических размеров. Так как их поверхность электрически заряжена, капли могут быть захвачены электрическим полем, освещены лазером и зафиксированы изменения интерференционной картины. В настоящее время, с использованием новой камеры, будут проведены измерения с точно регулируемым давлением и химическим составом атмосферы, и, следовательно, можно будет определить, какой фактор имеет решающее влияние на испарение в ситуации, когда давление выравнивается с самого начала. Результаты экспериментов наряду с компьютерным моделированием позволит создать полную картину процесса испарения капель воды в условиях, максимально похожих на те, которые существуют в природе. Глубокое понимание физических механизмов, ответственных за испарение, будет влиять на огромные области человеческой деятельности. Лучшие модели климата планеты позволят более точно прогнозировать погодные изменения в краткосрочной и долгосрочной временной перспективе, будут разработаны более эффективные устройства охлаждения, лазерные установки и др. Так как в двигателях внутреннего сгорания микрокапли топлива вводят в камеру сгорания, этому должно предшествовать их испарение, понимание этого процесса повысит эффективность машин в будущем.

Источник: chem-help.ru