La physique de l'évaporation expliquée

Les changements de pression, plus que la température, influencent fortement la rapidité avec laquelle les liquides se transforment en gaz, montrent les chercheurs.

L'évaporation est le processus par lequel l'eau passe d'un état liquide à un état gazeux ou vapeur. le processus est le chemin principal par lequel l'eau passe de l'état liquide au cycle de l'eau sous forme de vapeur d'eau atmosphérique.

L'évaporation se produit couramment dans la vie quotidienne. Lorsque vous sortez de la douche, l'eau présente sur votre corps s'évapore au fur et à mesure que vous vous séchez. Si vous laissez un verre d'eau à l'extérieur, le niveau d'eau diminuera lentement à mesure que l'eau s'évapore.

Pour la première fois, des scientifiques du MIT ont analysé en détail le processus d'évaporation au niveau moléculaire. Pour cela, ils ont utilisé une nouvelle technique pour contrôler et détecter les températures à la surface d'un liquide en évaporation. Ce faisant, ils ont pu identifier un ensemble de caractéristiques universelles impliquant des changements de temps, de pression et de température qui déterminent les détails du processus d'évaporation.

Principalement, ils ont découvert que le facteur clé déterminant la vitesse à laquelle le liquide pouvait s'évaporer n'était pas la différence de température entre la surface et le liquide, mais plutôt la différence de pression entre la surface du liquide et la vapeur ambiante.

Grâce à cette expérience, les scientifiques ont également répondu à une question assez simple sur la façon dont un liquide s'évapore à une température et une pression données.

Pawel Keblinski, professeur et chef du département de science et d'ingénierie des matériaux à l'Institut polytechnique de Rensselaer (RPI) a déclaré : "Alors que les théoriciens ont spéculé pendant plus d'un siècle, l'expérience n'a été d'aucune utilité, car voir l'interface liquide-vapeur en évaporation et connaître la température et la pression à proximité des interfaces est extrêmement difficile".

Le succès des chercheurs est en partie le résultat de l'élimination d'autres facteurs qui compliquent l'analyse. Par exemple, l'évaporation du liquide dans l'air est fortement affectée par les propriétés isolantes de l'air lui-même, donc pour ces expériences, le processus a été observé dans une chambre avec seulement le liquide et la vapeur présents, isolés de l'air ambiant.

Puis, afin de sonder les effets à la frontière du liquide et de la vapeur, les chercheurs ont utilisé une très fine membrane criblée de petits pores pour confiner l'eau, la chauffer et mesurer sa température.

Zhengmao Lu, postdoctorant au MIT, professeur de génie mécanique, a déclaré : « Cette membrane, d'une épaisseur de seulement 200 nanomètres (milliardièmes de mètre), faite de nitrure de silicium et recouverte d'or, transporte l'eau à travers ses pores par capillarité et est chauffée électriquement pour provoquer l'évaporation de l'eau. Ensuite, nous utilisons également cette membrane comme capteur, pour détecter la température de la surface d'évaporation de manière précise et non invasive.

"Le revêtement d'or de la membrane est crucial. La résistance électrique de l'or varie directement en fonction de la température, donc en calibrant soigneusement le système avant l'expérience, ils sont capables d'obtenir une lecture directe de la température au point exact où l'évaporation a lieu, moment par moment, simplement en lisant la résistance de la membrane."

Wang a déclaré: "Les données qu'ils ont recueillies suggèrent que la force motrice réelle ou le potentiel moteur dans ce processus n'est pas la différence de température, mais en fait la différence de pression. C'est ce qui fait que tout est maintenant aligné sur cette très belle courbe, qui correspond bien à ce que la théorie prédirait. "

"Bien que cela puisse sembler simple en principe, le développement de la membrane nécessaire avec ses pores de 100 nanomètres de large, qui sont fabriqués à l'aide d'une méthode appelée lithographie par interférence, et le bon fonctionnement de l'ensemble du système ont nécessité deux ans de travail acharné."

Les nouvelles découvertes fournissent également des conseils aux ingénieurs qui conçoivent de nouveaux systèmes basés sur l'évaporation, fournissant des informations à la fois sur la sélection des meilleurs fluides de travail pour une situation donnée, ainsi que sur les conditions de pression et d'élimination de l'air ambiant du système.

Joel Plawsky, professeur de génie chimique et biologique à RPI, qui n'a pas participé à ce travail, a déclaré : « L'appareil était unique et extrêmement difficile à fabriquer et à utiliser. Les données étaient exceptionnelles dans leur qualité et leur détail. Chaque fois que l'on peut réduire une grande quantité de données en développant une formulation sans dimension, c'est-à-dire qui s'applique aussi bien dans une grande variété de conditions, cela représente une avancée majeure pour l'ingénierie.

"Ce travail soulève de nombreuses questions sur le comportement de différents fluides et de mélanges de fluides. On peut imaginer de nombreuses années de travail de suivi."

L'équipe comprenait également Ikuya Kinefuchi de l'Université de Tokyo et les étudiants diplômés Kyle Wilke et Geoffrey Vaartstra du MIT. Le travail a été soutenu par l'Air Force Office of Scientific Research et la National Science Foundation.

L'étude paraît dans la revue Nature Communications.