Neue Studie zum Verdampfungsprozess von Flüssigkeitströpfchen

Tautropfen an einem Spinnennetz. (Credits: University of Warwick)
Tautropfen an einem Spinnennetz. (Credits: University of Warwick)

Die Lebensdauer eines Flüssigkeitströpfchens, das sich in Dampf verwandelt, kann jetzt dank einer an der University of Warwick entwickelten Theorie vorhergesagt werden. Die neuen Erkenntnisse können jetzt in zahlreichen umwelt- und industriebezogenen Gebieten angewandt werden, wo die Lebensdauer von Flüssigkeitströpfchen das Verhalten und die Effizienz eines Prozesses steuert.

Verdampfendes Wasser gehört zu unserem täglichen Leben und erzeugt Dampffahnen über einem kochenden Wasserkessel und dicke Wolken als Teil des irdischen Wasserkreislaufs. Verdampfende Flüssigkeitstropfen werden ebenfalls oft beobachtet, beispielsweise wenn der Morgentau von einem Spinnennetz verschwindet. Sie sind entscheidend für Technologien wie den Einspritzverbrennungsmotor und via Verdampfung arbeitende Kühlgeräte für Elektronik der nächsten Generation.

Forscher des Mathematics Institute und der School of Engineering an der University of Warwick haben die Abhandlung mit dem Titel “Lifetime of a Nanodroplet: Kinetic Effects & Regime Transitions” im Journal Physical Review Letters veröffentlicht, worin sie die Lebensdauer eines Flüssigkeitströpfchens untersuchen.

Derzeitige Theorien besagen, dass das Quadrat des Durchmessers eines Tröpfchens proportional zur Zeit abnimmt. Allerdings berücksichtigt diese Zeitspanne nur einen kleinen Teil der Entwicklung des Tröpfchens. Wenn sich der Durchmesser dem unbeobachtbaren Mikro- und Nanobereich nähert, muss die Molekulardynamik in Form virtueller Experimente herangezogen werden. Diese Experimente zeigen einen Übergang zu einem neuen Verhalten, bei dem sich jetzt der Durchmesser proportional zur Zeit verringert.

Die Forschungsarbeit an der University of Warwick hat gezeigt, dass dieses Verhalten aufgrund komplexer physikalischer Vorgänge im Dampffluss auftritt, welche in Temperatursprüngen von bis zu 40 Grad entlang weniger Moleküle resultieren können. Dieses Verhalten steht unserer Alltagserfahrung im Makromaßstab entgegen, wo wir relativ langsame Temperaturveränderungen kennen, aber es muss berücksichtigt werden, um die letzten Stadien eines verdampfenden Tropfens exakt vorhersagen zu können.

Veränderung des Durchmessers eines Tröpfchens vom Makro- zum Nanobereich. (Credits: University of Warwick)
Veränderung des Durchmessers eines Tröpfchens vom Makro- zum Nanobereich. (Credits: University of Warwick)

“Die große Leistung hier ist die Fähigkeit der Theorie, die Lebensdauer des Tropfens rasch vorherzusagen und einen Modellierungsrahmen zu schaffen, der die Genauigkeit von typischen Größenordnungen im Ingenieurswesen bis hinab zu Anwendungen im Nanobereich aufrechterhält”, sagte Professor Duncan Lockerby von der School of Engineering an der University of Warwick.

“Es ist faszinierend, dass die Intuition basierend auf unseren Alltagsbeobachtungen ein Hindernis ist, wenn man versucht Flüsse im Nanobereich zu verstehen, so dass man sich – wie in dieser Arbeit – auf die Theorie stützen muss, um uns zu erleuchten”, sagte Dr. James Sprittles vom Mathematics Institute an der University of Warwick.

Quelle

(THK)

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