您现在的位置是:首页 >科技 > 2021-02-22 11:01:14 来源:

实验揭示了蒸发的物理学

对于日常生活来说,这是一个至关重要的过程 - 从早晨的咖啡机到提供电力的大型发电厂 - 它通常被认为是理所当然的:液体从热表面沸腾的方式。

然而令人惊讶的是,这个基本过程仅在麻省理工学院博士后郑茂璐,机械工程系教授,系主任Evelyn Wang和麻省理工学院三位其他人在麻省理工学院的新分析中,首次在分子水平上进行了详细分析。东京大学。该研究发表在Nature Communications杂志上。

“事实证明,对于液相到汽相的变化过程,对它的基本理解仍然相对有限,”Wang解释道。“虽然已经开发了很多理论,但实际上还没有关于蒸发物理学基本限制的实验证据。”

这是一个重要的理解过程,因为它无处不在。“蒸发在各种不同类型的系统中都很普遍,例如发电厂的蒸汽发生,海水淡化技术,膜蒸馏和热管理,例如热管,”Wang说。优化这些过程的效率需要清楚地了解所处的动态,但在许多情况下,工程师依靠近似或经验观察来指导他们对材料和操作条件的选择。

通过使用新技术来控制和检测蒸发液体表面的温度,研究人员能够确定一组涉及时间,压力和温度变化的通用特征,这些特征决定了蒸发过程的细节。在这个过程中,他们发现决定液体蒸发速度的关键因素不是表面和液体之间的温差,而是液体表面和环境蒸汽之间的压力差。

Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)教授兼材料科学与工程系主任Pawel Keblinski表示,尽管经过数十年的研究,液体在给定温度和压力下如何蒸发的“相当简单的问题”仍未得到解决。没有参与这项工作。“虽然理论家推测了一个多世纪,但实验并没有什么帮助,因为看到蒸发的液体 - 蒸汽界面并知道界面附近的温度和压力是极具挑战性的,”他说。

Keblinski说,这项新工作“使我们更接近事实。”与其他人开发的其他新观察技术一起,新的见解将“让我们走上经过一个世纪努力后最终量化蒸发过程的道路”,他说。

研究人员的成功部分是因为消除了使分析复杂化的其他因素。例如,液体向空气中的蒸发受到空气本身的绝缘性质的强烈影响,因此对于这些实验,在仅存在液体和蒸汽的室中观察该过程,该室与周围空气隔离。然后,为了探测液体和蒸汽之间边界的影响,研究人员使用了一个非常薄的薄膜,这个薄膜充满了小孔,将水加热,加热并测量温度。

该膜仅由200纳米(十亿分之一米)厚,由氮化硅制成并涂有金,通过毛细管作用将水带入其孔中,并被电加热以使水蒸发。然后,“我们还使用该膜作为传感器,以准确和非侵入的方式感知蒸发表面的温度,”Lu说。

他补充道,膜的金涂层至关重要。金的电阻直接根据温度变化,因此通过在实验前仔细校准系统,他们能够在蒸发发生的确切点,即时,直接读取温度,只需读取膜的阻力即可。

他们收集的数据“表明,这个过程中的实际驱动力或驱动潜力不是温度的差异,而是压力差,”王说。“这就是让现在所有东西与这条非常好的曲线保持一致的原因,这与理论所能预测的相符,”她说。

虽然原则上听起来很简单,但实际上用100纳米宽的孔来开发必要的膜,这种膜是用干涉光刻法制成的,并且让整个系统正常工作需要两年的努力,她说。

总体而言,迄今为止的研究结果“与理论所预测的一致”,Lu说,但确认这一点仍然很重要。“虽然理论预测了事情,但没有实验证据表明理论是正确的,”王补充说。

新发现还为工程师设计新的基于蒸发的系统提供指导,提供有关在给定情况下选择最佳工作流体的信息,以及压力和从系统中去除环境空气的条件。“使用这个系统作为指导,你可以优化某些应用的工作条件,”Lu说。

该团队 “做了一系列优雅的实验,旨在确认理论预测,”化学和生物工程教授Joel Plawsky说。

RPI,没有参与这项工作。“该设备独特,难以制造和操作。数据质量和细节都很出色。任何时候人们都可以通过开发无量纲公式来摧毁大量数据,“即在各种条件下同样适用的公式”,这代表了工程学的一个重大进步,“他说。

Plawsly补充说:“这项工作有很多问题可以解释不同流体和流体混合物的行为。人们可以想象多年的后续工作。“