En ny avdunstningsdynamikstudie visar att mycket små droppar avdunstar långsammare än vad nuvarande modeller förutsäger. Forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa, i samarbete med Institute of Physics of the PAS (IP PAS), har beskrivit förloppet av avdunstning av mikrometer- och nanometerstora droppar. Resultatet av forskningen, presenteras i tidskriften Mjuk materia , är en ekvation som exakt förutsäger avdunstningsförloppet för droppar av olika storlekar och vätskor. Ekvationen har många tillämpningar, inklusive att konstruera mer exakta klimatmodeller och designa mer effektiva förbränningsmotorer eller kylaggregat.

"Vid första ögonkastet, avmattningen av avdunstning av små droppar kan tyckas vara en effekt av liten betydelse. Dock, varje droppe som avdunstar i miljön har först behövt minska till storleken mikrometer och sedan nanometer, och har således gått igenom en fas av långsammare avdunstning, " säger prof. Robert Holyst (IPC PAS), och noterar att sådan dynamik formar jordens klimat i atmosfäriska moln. "Om vi ​​tar hänsyn till att klimatet är ett tillstånd av en viss dynamisk jämvikt i miljön som relativt lätt störs av till och med till synes mindre faktorer, sedan övergår nedgången i avdunstningshastigheten för små droppar från att vara ett problem i laboratorieskala till ett globalt fenomen."

Under avdunstning, en nyckelroll spelar värmeflödet mellan droppen och omgivningen. I tidigare publikationer, fysiker från IPC PAS och IP PAS visade att avdunstning börjar ske även när lokala temperaturskillnader bara är tiotusendelar av Kelvin. Dock, transporten av energi mellan vätskan och miljön behöver inte alltid vara relaterad till förekomsten av en temperaturgradient.

"När en gasmolekyl närmar sig en vätskeyta på ett avstånd av flera till ett dussin eller så betyder fria vägar, det slutar praktiskt taget att kollidera med andra molekyler i sin miljö. Vid denna tidpunkt, en typisk beskrivning av fenomenet med hjälp av termodynamik räcker inte längre. Nära vätskans yta, energitransport sker på ett annat sätt, ballistiskt. Gasmolekylen tar helt enkelt sin energi och träffar ytan, ibland flera gånger, " säger Dr. Marek Litniewski (IPC PAS), medförfattare till forskningen.

Den genomsnittliga fria väglängden för en molekyl i luften (dvs från kollision med en molekyl till kollision med nästa) är upp till 70 nm. Under avdunstning, den ballistiska överföringen av energi börjar spela en roll för gasmolekyler mikrometer bort från droppens yta, vilket i fenomenets omfattning bör betraktas som ett relativt stort värde. Frågan uppstår:Hur mycket energi kan överföras på detta sätt, och hur? Även om en enda gasmolekyl kolliderar med en enda vätskemolekyl, den senare är starkare eller svagare kopplad till sina närliggande och avlägsna grannar. Som ett resultat, kollisionen sker mellan många kroppar och dess teoretiska beskrivning blir komplex.

"Om fallet är stort, dess yta från gasmolekylens synvinkel kommer att vara praktiskt taget platt. Därför, när en sådan molekyl studsar från ytan, den kan kollidera med en annan närliggande gasmolekyl och träffa ytan igen, deponerar ytterligare en del energi i den. Situationen förändras när droppen minskar i storlek och dess yta blir mer och mer krökt. Partikeln studsar sedan från ytan i allmänhet en gång, varefter den flyger ut i rymden. Överföringen av energi till vätskans inre är således mindre effektiv. Som ett resultat, dropparna avdunstar långsammare ju mindre de är, och processen kan saktas ner åtminstone flera gånger, " förklarar Prof. Holyst.

Datoranalyser och simuleringar stöddes av experiment utförda i IP PAS av Dr Daniel Jakubczyk. Under noggrant kontrollerade förhållanden, ett antal avdunstningshastigheter med en droppe mättes. Experimenten utfördes för droppar av olika storlekar och för vätskor inklusive vatten och etylenglykol. Det visade sig att modellen som föreslagits av fysiker från IPC PAS i alla fall exakt beskrev fenomenets förlopp. För att uppskatta hur snabbt en droppe skulle avdunsta, det räckte för att endast tillhandahålla två parametrar:ämnesmassa och förångningsentalpi.

"Avdunstning sker överallt omkring oss, alltid och överallt. Vetenskapen har studerat det i mer än 120 år, och vi trodde att vi har god förståelse för det. Dock, när vi tittar på detaljerna i förångningsprocessen, vi ser plötsligt hur mycket vi har saknat. Detta lär oss ödmjukhet – och uppmuntrar oss att bedriva ytterligare forskning, " avslutar Prof. Holyst.