Científicos usan hielo para hervir agua y expanden un principio físico del siglo XVIII

Física

El profesor asociado Jonathan Boreyko y el compañero de posgrado Mojtaba Edalatpour han hecho un descubrimiento sobre las propiedades del agua que podría proporcionar una interesante adición a un fenómeno establecido hace más de dos siglos. El descubrimiento también ofrece posibilidades interesantes para dispositivos y procesos de enfriamiento en aplicaciones industriales utilizando solo las propiedades básicas del agua. Su trabajo fue publicado el 21 de enero en la revista Physical Review Fluids.

El agua puede existir en tres fases: un sólido congelado, un líquido y un gas. Cuando se aplica calor a un sólido congelado, se convierte en líquido. Cuando se aplica al líquido, se convierte en vapor. Este principio elemental es familiar para cualquiera que haya observado un vaso de té helado en un día caluroso, o haya hervido una olla de agua para hacer espaguetis.

Cuando la fuente de calor está lo suficientemente caliente, el comportamiento del agua cambia drásticamente. Según Boreyko, una gota de agua depositada en una placa de aluminio calentada a 150°Celsius o ​​más ya no hervirá. En cambio, el vapor que se forma cuando la gota se acerca a la superficie quedará atrapado debajo de la gota, creando un colchón que evita que el líquido entre en contacto directo con la superficie. El vapor atrapado hace que el líquido levite, deslizándose alrededor de la superficie calentada como un disco de hockey de aire. Este fenómeno se conoce como el efecto Leidenfrost, llamado así por el médico y teólogo alemán que lo describió por primera vez en una publicación de 1751.

Este principio científico comúnmente aceptado se aplica al agua como líquido, flotando en un lecho de vapor. El equipo de Boreyko se preguntó: ¿Podría el hielo funcionar de la misma manera?

“Hay tantos artículos sobre la levitación de líquidos que queríamos hacer la pregunta sobre la levitación de hielo”, dijo Boreyko. “Comenzó como un proyecto de curiosidad. Lo que impulsó nuestra investigación fue la cuestión de si era posible o no tener un efecto Leidenfrost trifásico con sólido, líquido y vapor”.

Entrando en el hielo
La curiosidad provocó la primera investigación en el laboratorio de Boreyko hace unos cinco años en forma de un proyecto de investigación del entonces estudiante universitario Daniel Cusumano. Lo que observó fue fascinante. Incluso cuando el aluminio se calentó por encima de 150°C, el hielo no levitó sobre el vapor como lo hace el líquido. Cusumano siguió elevando la temperatura, observando el comportamiento del hielo a medida que aumentaba el calor. Lo que encontró fue que el umbral para la levitación era dramáticamente más alto: 550°C en lugar de 150 C. Hasta ese umbral, el agua derretida debajo del hielo continuó hirviendo en contacto directo con la superficie, en lugar de exhibir el efecto Leidenfrost.

¿Qué estaba pasando debajo del hielo que prolongó la ebullición? El proyecto fue retomado por el estudiante graduado Mojtaba Edalatpour poco tiempo después, para resolver el misterio. Edalatpour había estado trabajando con Boreyko para desarrollar métodos novedosos de transferencia de calor y poner ese conocimiento a trabajar para abordar este problema. La respuesta resultó ser el diferencial de temperatura en la capa de agua de deshielo debajo del hielo. La capa de agua de deshielo tiene dos extremos diferentes: su parte inferior está hirviendo, lo que fija la temperatura en unos 100°C, pero su parte superior está adherida al hielo restante, lo que la fija en unos 0°C. El modelo de Edalatpour reveló que el mantenimiento de esta temperatura extrema diferencial consume la mayor parte del calor de la superficie, lo que explica por qué la levitación era más difícil para el hielo.

Boreyko elaboró. “El diferencial de temperatura que el hielo está creando de manera única a través de la capa de agua ha cambiado lo que sucede en el agua misma, porque ahora la mayor parte del calor de la placa caliente tiene que atravesar el agua para mantener ese diferencial extremo. Entonces, solo una pequeña fracción de la energía ya se puede utilizar para producir vapor”.

La temperatura elevada de 550°C para el efecto helado de Leidenfrost es prácticamente importante. El agua hirviendo transporta el calor de manera óptima lejos del sustrato, por lo que se siente mucho calor saliendo de una olla de agua hirviendo, pero no de una olla de agua simplemente caliente. Esto significa que la dificultad de hacer levitar el hielo en realidad es algo bueno, ya que la ventana de temperatura más grande para hervir dará como resultado una mejor transferencia de calor en comparación con el uso de un líquido solo.

“Es mucho más difícil levitar el hielo que levitar la gota de agua”, dijo Boreyko. “La transferencia de calor cae en picado tan pronto como comienza la levitación, porque cuando el líquido levita, ya no hierve. Está flotando sobre la superficie en lugar de tocarse, y el contacto es lo que hace que hierva el calor. Entonces, para la transferencia de calor, la levitación es terrible. La ebullición es increíble”.

Uso de hielo para la transferencia de calor

A medida que el equipo exploró las posibilidades de aplicación práctica, observaron su trabajo existente. Dado que Edalatpour realizó una extensa investigación sobre la transferencia de calor, ese tema se convirtió en algo lógico.

La transferencia de calor entra más en juego para enfriar cosas como servidores de computadoras o motores de automóviles. Requiere una sustancia o mecanismo que pueda alejar la energía de una superficie caliente, redistribuyendo el calor rápidamente para reducir el desgaste de las piezas metálicas. En las plantas de energía nuclear, la aplicación de hielo para inducir un enfriamiento rápido podría convertirse en una medida de emergencia de fácil implementación si falla la energía, o en una práctica regular para el mantenimiento de las partes de la planta de energía.

También hay aplicaciones potenciales para la metalurgia. Para producir aleaciones, es necesario extinguir el calor de los metales que han sido moldeados en un lapso de tiempo estrecho, lo que hace que el metal sea más fuerte y menos quebradizo. Si se aplicara hielo, permitiría que el calor se descargara rápidamente a través de las tres fases del agua, enfriando rápidamente el metal. Boreyko también prevé un potencial para aplicaciones en extinción de incendios.

“Se podría imaginar tener una manguera hecha especialmente que está rociando trozos de hielo en lugar de un chorro de agua”, dijo. “Esto no es ciencia ficción. Visité una empresa aeroespacial que tiene un túnel de formación de hielo y ya tienen esta tecnología en la que una boquilla rocía partículas de hielo en lugar de gotas de agua”.

Con innumerables posibilidades, Boreyko y Edalatpour están entusiasmados con la nueva contribución que ha llegado al mundo de la ciencia. Mirando hacia atrás en los últimos cinco años, todavía atribuyen este emocionante desarrollo a su chispa compartida de curiosidad y al impulso de ser creativos en la investigación.

Fuente: Phys.org.

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