El profesor asociado Jonathan Boreyko y el compa\u00f1ero de posgrado Mojtaba Edalatpour han hecho un descubrimiento sobre las propiedades del agua que podr\u00eda proporcionar una interesante adici\u00f3n a un fen\u00f3meno establecido hace m\u00e1s de dos siglos. El descubrimiento tambi\u00e9n ofrece posibilidades interesantes para dispositivos y procesos de enfriamiento en aplicaciones industriales utilizando solo las propiedades b\u00e1sicas del agua. Su trabajo fue publicado el 21 de enero en la revista Physical Review Fluids.<\/p>\n\n\n\n
El agua puede existir en tres fases: un s\u00f3lido congelado, un l\u00edquido y un gas. Cuando se aplica calor a un s\u00f3lido congelado, se convierte en l\u00edquido. Cuando se aplica al l\u00edquido, se convierte en vapor. Este principio elemental es familiar para cualquiera que haya observado un vaso de t\u00e9 helado en un d\u00eda caluroso, o haya hervido una olla de agua para hacer espaguetis.<\/p>\n\n\n\n
Cuando la fuente de calor est\u00e1 lo suficientemente caliente, el comportamiento del agua cambia dr\u00e1sticamente. Seg\u00fan Boreyko, una gota de agua depositada en una placa de aluminio calentada a 150\u00b0Celsius o \u200b\u200bm\u00e1s ya no hervir\u00e1. En cambio, el vapor que se forma cuando la gota se acerca a la superficie quedar\u00e1 atrapado debajo de la gota, creando un colch\u00f3n que evita que el l\u00edquido entre en contacto directo con la superficie. El vapor atrapado hace que el l\u00edquido levite, desliz\u00e1ndose alrededor de la superficie calentada como un disco de hockey de aire. Este fen\u00f3meno se conoce como el efecto Leidenfrost, llamado as\u00ed por el m\u00e9dico y te\u00f3logo alem\u00e1n que lo describi\u00f3 por primera vez en una publicaci\u00f3n de 1751.<\/p>\n\n\n\n
Este principio cient\u00edfico com\u00fanmente aceptado se aplica al agua como l\u00edquido, flotando en un lecho de vapor. El equipo de Boreyko se pregunt\u00f3: \u00bfPodr\u00eda el hielo funcionar de la misma manera?<\/p>\n\n\n\n
“Hay tantos art\u00edculos sobre la levitaci\u00f3n de l\u00edquidos que quer\u00edamos hacer la pregunta sobre la levitaci\u00f3n de hielo”, dijo Boreyko. “Comenz\u00f3 como un proyecto de curiosidad. Lo que impuls\u00f3 nuestra investigaci\u00f3n fue la cuesti\u00f3n de si era posible o no tener un efecto Leidenfrost trif\u00e1sico con s\u00f3lido, l\u00edquido y vapor”.<\/p>\n\n\n\n
Entrando en el hielo \u00bfQu\u00e9 estaba pasando debajo del hielo que prolong\u00f3 la ebullici\u00f3n? El proyecto fue retomado por el estudiante graduado Mojtaba Edalatpour poco tiempo despu\u00e9s, para resolver el misterio. Edalatpour hab\u00eda estado trabajando con Boreyko para desarrollar m\u00e9todos novedosos de transferencia de calor y poner ese conocimiento a trabajar para abordar este problema. La respuesta result\u00f3 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 est\u00e1 hirviendo, lo que fija la temperatura en unos 100\u00b0C, pero su parte superior est\u00e1 adherida al hielo restante, lo que la fija en unos 0\u00b0C. El modelo de Edalatpour revel\u00f3 que el mantenimiento de esta temperatura extrema diferencial consume la mayor parte del calor de la superficie, lo que explica por qu\u00e9 la levitaci\u00f3n era m\u00e1s dif\u00edcil para el hielo.<\/p>\n\n\n\n Boreyko elabor\u00f3. “El diferencial de temperatura que el hielo est\u00e1 creando de manera \u00fanica a trav\u00e9s 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 peque\u00f1a fracci\u00f3n de la energ\u00eda ya se puede utilizar para producir vapor”.<\/p>\n\n\n\n La temperatura elevada de 550\u00b0C para el efecto helado de Leidenfrost es pr\u00e1cticamente importante. El agua hirviendo transporta el calor de manera \u00f3ptima 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 m\u00e1s grande para hervir dar\u00e1 como resultado una mejor transferencia de calor en comparaci\u00f3n con el uso de un l\u00edquido solo.<\/p>\n\n\n\n “Es mucho m\u00e1s dif\u00edcil levitar el hielo que levitar la gota de agua”, dijo Boreyko. “La transferencia de calor cae en picado tan pronto como comienza la levitaci\u00f3n, porque cuando el l\u00edquido levita, ya no hierve. Est\u00e1 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 levitaci\u00f3n es terrible. La ebullici\u00f3n es incre\u00edble”.<\/p>\n\n\n\n Uso de hielo para la transferencia de calor<\/strong><\/p>\n\n\n\n A medida que el equipo explor\u00f3 las posibilidades de aplicaci\u00f3n pr\u00e1ctica, observaron su trabajo existente. Dado que Edalatpour realiz\u00f3 una extensa investigaci\u00f3n sobre la transferencia de calor, ese tema se convirti\u00f3 en algo l\u00f3gico.<\/p>\n\n\n\n La transferencia de calor entra m\u00e1s en juego para enfriar cosas como servidores de computadoras o motores de autom\u00f3viles. Requiere una sustancia o mecanismo que pueda alejar la energ\u00eda de una superficie caliente, redistribuyendo el calor r\u00e1pidamente para reducir el desgaste de las piezas met\u00e1licas. En las plantas de energ\u00eda nuclear, la aplicaci\u00f3n de hielo para inducir un enfriamiento r\u00e1pido podr\u00eda convertirse en una medida de emergencia de f\u00e1cil implementaci\u00f3n si falla la energ\u00eda, o en una pr\u00e1ctica regular para el mantenimiento de las partes de la planta de energ\u00eda.<\/p>\n\n\n\n Tambi\u00e9n 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 m\u00e1s fuerte y menos quebradizo. Si se aplicara hielo, permitir\u00eda que el calor se descargara r\u00e1pidamente a trav\u00e9s de las tres fases del agua, enfriando r\u00e1pidamente el metal. Boreyko tambi\u00e9n prev\u00e9 un potencial para aplicaciones en extinci\u00f3n de incendios.<\/p>\n\n\n\n “Se podr\u00eda imaginar tener una manguera hecha especialmente que est\u00e1 rociando trozos de hielo en lugar de un chorro de agua”, dijo. “Esto no es ciencia ficci\u00f3n. Visit\u00e9 una empresa aeroespacial que tiene un t\u00fanel de formaci\u00f3n de hielo y ya tienen esta tecnolog\u00eda en la que una boquilla roc\u00eda part\u00edculas de hielo en lugar de gotas de agua”.<\/p>\n\n\n\n Con innumerables posibilidades, Boreyko y Edalatpour est\u00e1n entusiasmados con la nueva contribuci\u00f3n que ha llegado al mundo de la ciencia. Mirando hacia atr\u00e1s en los \u00faltimos cinco a\u00f1os, todav\u00eda atribuyen este emocionante desarrollo a su chispa compartida de curiosidad y al impulso de ser creativos en la investigaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>La curiosidad provoc\u00f3 la primera investigaci\u00f3n en el laboratorio de Boreyko hace unos cinco a\u00f1os en forma de un proyecto de investigaci\u00f3n del entonces estudiante universitario Daniel Cusumano. Lo que observ\u00f3 fue fascinante. Incluso cuando el aluminio se calent\u00f3 por encima de 150\u00b0C, el hielo no levit\u00f3 sobre el vapor como lo hace el l\u00edquido. Cusumano sigui\u00f3 elevando la temperatura, observando el comportamiento del hielo a medida que aumentaba el calor. Lo que encontr\u00f3 fue que el umbral para la levitaci\u00f3n era dram\u00e1ticamente m\u00e1s alto: 550\u00b0C en lugar de 150 C. Hasta ese umbral, el agua derretida debajo del hielo continu\u00f3 hirviendo en contacto directo con la superficie, en lugar de exhibir el efecto Leidenfrost. <\/p>\n\n\n\n