El fenómeno de la evaporación es el pilar rector de una amplia gama de disciplinas que van desde las ciencias atmosféricas hasta la producción de energía y la biología.
La cinética de la evaporación se describe mediante simulaciones basadas en la dinámica molecular y varias teorías, incluyendo la difusión Hertz-Knudsen, la teoría de la tasa estadística, la termodinámica de no-equilibrio y las simulaciones de dinámica molecular. En todas estas teorías, la cinética de la evaporación es gobernada por las propiedades termodinámicas interfaciales (es decir, temperatura y presión), que son difíciles de medir.
Una explicación al fenómeno
En el año 1999 los investigadores G. Fang y C. A. Ward condujeron una medición precisa de la temperatura interfacial de líquido y vapor en una interfase de agua en evaporación y encontraron que existe una discontinuidad de temperatura. Esto contrastaba con todas las mediciones previas y fundamentó un misterio que no podía ser explicado a través de la mecánica clásica.
Desde entonces, esta controvertida discontinuidad ha resultado ser un obstáculo para la comprensión y el modelado teórico de la evaporación. Pero ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Houston ha encontrado respuestas a lo que sucede en esa interfaz, abordando más de dos décadas de resultados contradictorios.
Para encontrar una explicación al fenómeno de discontinuidad de temperatura, los investigadores primero abordaron la pregunta en el laboratorio, pero luego de un tiempo reconocieron que no podían obtener la resolución espacial necesaria para una respuesta definitiva.
A fin de superar estas limitaciones, el equipo utilizó un enfoque computacional para encontrar las propiedades del líquido y el vapor dentro de la longitud de algunas moléculas.
Superando el “cuello de botella”
A través del estudio del transporte de vapor por la ecuación de transporte de Boltzmann resuelta a través del Método de Monte Carlo de simulación directa, los investigadores demostraron que las discontinuidades medidas fueron fuertemente afectadas por las condiciones límites del lado de vapor de la interfase y no reflejan el estado interfacial.
Para capturar con precisión el estado interfacial, explican los investigadores, el flujo de calor de vapor debe ser suprimido para poder extrapolar la temperatura de vapor.
El investigador Hadi Ghasemi, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Houston, resaltó que la nueva comprensión elimina el “cuello de botella” que ha complicado las predicciones y simulaciones de procesos que involucran evaporación. Al respecto comentó:
“Demostramos la física de lo que sucede dentro del espacio de unas pocas moléculas en la interfaz y desarrollamos con precisión una teoría sobre la tasa de evaporación. Eso nos permitió explicar todos los resultados contradictorios que se han informado en los últimos 20 años y resolver este misterio”.
Esta comprensión, además de abordar este problema de larga data, permitirá a los científicos simular con mayor precisión el rendimiento de todos los sistemas basados en la teoría de la evaporación.
Referencia: Temperature Discontinuity at an Evaporating Water Interface. Journal of Physical Chemistry C, 2019. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b10838