Un nuovo studio sulla dinamica dell'evaporazione rileva che le goccioline molto piccole evaporano più lentamente di quanto previsto dai modelli attuali. Ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia, in collaborazione con l'Istituto di Fisica della PAS (IP PAS), hanno descritto il corso di evaporazione di goccioline di dimensioni micrometriche e nanometriche. Il risultato della ricerca, presentato sulla rivista Materia morbida , è un'equazione che predice accuratamente il corso dell'evaporazione per goccioline di diverse dimensioni e fluidi. L'equazione ha molte applicazioni, compresa la costruzione di modelli climatici più accurati e la progettazione di motori a combustione interna o unità di raffreddamento più efficienti.

"A prima vista, il rallentamento dell'evaporazione delle piccole gocce può sembrare un effetto poco significativo. Però, ogni goccia che evapora nell'ambiente ha dovuto prima ridursi alle dimensioni di micrometri e poi di nanometri, e quindi ha attraversato una fase di evaporazione rallentata, " afferma il Prof. Robert Holyst (IPC PAS), e osserva che tali dinamiche modellano il clima della Terra nelle nuvole atmosferiche. "Se consideriamo che il clima è uno stato di un certo equilibrio dinamico nell'ambiente che è relativamente facilmente disturbato da fattori anche apparentemente minori, poi il rallentamento della velocità di evaporazione delle piccole goccioline passa dall'essere un problema su scala di laboratorio a un fenomeno globale".

Durante l'evaporazione, un ruolo fondamentale è svolto dal flusso di calore tra la gocciolina e l'ambiente. Nelle pubblicazioni precedenti, i fisici di IPC PAS e IP PAS hanno mostrato che l'evaporazione inizia a verificarsi anche quando le differenze di temperatura locali sono solo decimillesimi di Kelvin. Però, il trasporto di energia tra il liquido e l'ambiente non deve sempre essere correlato all'esistenza di un gradiente di temperatura.

"Quando una molecola di gas si avvicina a una superficie liquida a una distanza da diverse a una dozzina di percorsi liberi, praticamente smette di scontrarsi con altre molecole nel suo ambiente. A questo punto, una descrizione tipica del fenomeno mediante la termodinamica non è più sufficiente. Vicino alla superficie del liquido, il trasporto di energia avviene in modo diverso, balisticamente. La molecola del gas prende semplicemente la sua energia e colpisce la superficie, a volte più volte, " afferma il dott. Marek Litniewski (IPC PAS), coautore della ricerca.

La lunghezza media del percorso libero di una molecola nell'aria (cioè dalla collisione con una molecola alla collisione con la successiva) è fino a 70 nm. Durante l'evaporazione, il trasferimento balistico di energia inizia a svolgere un ruolo per le molecole di gas a micrometri di distanza dalla superficie della gocciolina, che nella scala del fenomeno dovrebbe essere considerato un valore relativamente grande. Sorge la domanda:quanta energia può essere trasmessa in questo modo, e come? Sebbene una singola molecola di gas collida con una singola molecola di liquido, quest'ultimo è accoppiato più fortemente o debolmente con i suoi vicini più vicini e più lontani. Di conseguenza, la collisione avviene tra molti corpi e la sua descrizione teorica diventa complessa.

"Se la goccia è grande, la sua superficie dal punto di vista della molecola del gas sarà praticamente piatta. Perciò, quando una tale molecola rimbalza sulla superficie, può scontrarsi con un'altra molecola di gas vicina e colpire di nuovo la superficie, depositandovi un'altra porzione di energia. La situazione cambia quando la goccia diminuisce di dimensioni e la sua superficie diventa sempre più curva. La particella poi rimbalza sulla superficie generalmente una volta, dopo di che vola via nello spazio. Il trasferimento di energia all'interno del liquido è quindi meno efficace. Di conseguenza, le gocce evaporano più lentamente più sono piccole, e il processo può essere rallentato almeno più volte, " spiega il prof. Holyst.

Le analisi e le simulazioni al computer sono state supportate da esperimenti condotti in IP PAS dal Dr. Daniel Jakubczyk. In condizioni attentamente controllate, sono stati misurati un numero di tassi di evaporazione a goccia singola. Gli esperimenti sono stati eseguiti per gocce di varie dimensioni e per liquidi comprendenti acqua e glicole etilenico. Si è scoperto che il modello proposto dai fisici dell'IPC PAS in tutti i casi descriveva accuratamente il corso del fenomeno. Per stimare la velocità con cui una goccia evaporerebbe, è bastato fornire solo due parametri:massa della sostanza ed entalpia di evaporazione.

"L'evaporazione avviene intorno a noi, sempre e ovunque. La scienza lo studia da più di 120 anni, e abbiamo pensato di averne una buona comprensione. Però, quando esaminiamo i dettagli del processo di evaporazione, vediamo improvvisamente quanto ci siamo persi. Questo ci insegna l'umiltà e ci incoraggia a condurre ulteriori ricerche, " conclude il prof. Holyst.