증발의 물리학 설명

온도보다 압력의 변화가 액체가 기체로 변하는 속도에 큰 영향을 미치는 것으로 연구진은 밝혔습니다.

증발은 물이 액체에서 기체 또는 증기로 변하는 과정입니다. 이 과정은 물이 액체 상태에서 대기 수증기 형태로 다시 물 순환으로 이동하는 주요 경로입니다.

증발은 일상생활에서 흔히 발생합니다. 샤워를 하고 나오면 몸에 묻은 물이 마르면서 증발합니다. 물 한 컵을 그대로 놔두면 물이 증발하면서 물의 양이 서서히 감소합니다.

MIT 과학자들은 처음으로 증발 과정을 분자 수준에서 자세히 분석했습니다. 이를 위해 그들은 증발하는 액체 표면의 온도를 제어하고 감지하는 새로운 기술을 사용했습니다. 이를 통해 그들은 증발 과정의 세부 사항을 결정하는 시간, 압력 및 온도 변화와 관련된 일련의 보편적인 특성을 식별할 수 있었습니다.

주로 그들은 액체가 얼마나 빨리 증발할 수 있는지를 결정하는 주요 요인은 표면과 액체 사이의 온도 차이가 아니라 액체 표면과 주변 증기 사이의 압력 차이라는 것을 발견했습니다.

이 실험을 통해 과학자들은 주어진 온도와 압력에서 액체가 어떻게 증발하는지에 대한 다소 간단한 질문에 답했습니다.

Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)의 재료 과학 및 공학과 교수이자 학과장인 Pawel Keblinski는 "이론가들이 100년 넘게 추측하는 동안 증발하는 액체-증기 경계면을 확인하고 온도를 알 수 있기 때문에 이 실험은 거의 도움이 되지 않았습니다. 인터페이스 근처의 압력은 매우 어렵습니다."

연구원들의 성공은 부분적으로 분석을 복잡하게 만드는 다른 요인들을 제거한 결과였습니다. 예를 들어, 액체가 공기 중으로 증발하는 것은 공기 자체의 절연 특성에 크게 영향을 받기 때문에 이러한 실험에서는 주변 공기와 격리되고 액체와 증기만 존재하는 챔버에서 과정이 관찰되었습니다.

그런 다음 액체와 증기 사이의 경계에서 바로 효과를 조사하기 위해 연구자들은 작은 기공으로 가득 찬 매우 얇은 막을 사용하여 물을 가두어 가열하고 온도를 측정했습니다.

MIT 박사후 연구원인 Zhengmao Lu 기계공학 교수는 "두께가 200나노미터(10억분의 1미터)에 불과하고 질화규소로 만들어지고 금으로 코팅된 이 막은 모세관 현상에 의해 기공을 통해 물을 운반하고 전기적으로 가열되어 다음과 같은 현상을 발생시킵니다"라고 말했습니다. 물을 증발시킵니다. 그런 다음 해당 막을 센서로 사용하여 정확하고 비침습적인 방식으로 증발 표면의 온도를 감지합니다."

"막의 금 코팅은 매우 중요합니다. 금의 전기 저항은 온도의 함수에 따라 직접적으로 변하므로 실험 전에 시스템을 주의 깊게 보정함으로써 정확한 지점에서 온도를 직접 판독할 수 있습니다. 막의 저항을 읽는 것만으로 증발이 순간적으로 일어나는 곳입니다."

Wang은 "그들이 수집한 데이터에 따르면 이 과정에서 실제 추진력 또는 추진 잠재력은 온도 차이가 아니라 실제로 압력 차이라는 것을 알 수 있습니다. 이것이 바로 모든 것이 이제 정말 멋진 곡선에 정렬되도록 만드는 이유입니다. 이론은 예측할 것이다."

"원칙적으로는 간단하게 들릴지 모르지만 실제로 간섭 리소그래피라는 방법을 사용하여 만들어진 100나노미터 폭의 기공이 있는 필요한 멤브레인을 개발하고 전체 시스템이 제대로 작동하도록 하는 데 2년의 노력이 걸렸습니다."

새로운 연구 결과는 또한 새로운 증발 기반 시스템을 설계하는 엔지니어에게 지침을 제공하여 주어진 상황에 가장 적합한 작동 유체 선택은 물론 압력 조건 및 시스템에서 주변 공기 제거에 대한 정보를 제공합니다.

이번 작업에 참여하지 않은 RPI 화학 및 생물공학 교수인 조엘 플라스키(Joel Plawsky)는 "이 장치는 독특하고 제작 및 작동이 매우 어려웠다. 데이터의 품질과 세부 사항이 매우 뛰어났다"고 말했다. 무차원 공식, 즉 다양한 조건에서 동일하게 적용되는 공식을 개발하여 데이터를 대규모로 확산시키는 것은 공학의 큰 발전을 의미합니다."