O professor associado Jonathan Boreyko e o colega de pós-graduação Mojtaba Edalatpour fizeram uma descoberta sobre as propriedades da água que poderiam fornecer um adendo emocionante a um fenômeno estabelecido há mais de dois séculos. A descoberta também traz possibilidades interessantes para dispositivos e processos de resfriamento em aplicações industriais usando apenas as propriedades básicas da água. Seu trabalho foi publicado em 21 de janeiro na revista Physical Review Fluids.
A água pode existir em três fases: um sólido congelado, um líquido e um gás. Quando o calor é aplicado a um sólido congelado, ele se torna um líquido. Quando aplicado ao líquido, torna-se vapor. Este princípio elementar é familiar para qualquer um que tenha observado um copo de chá gelado em um dia quente ou fervido uma panela de água para fazer espaguete.
Quando a fonte de calor está quente o suficiente, o comportamento da água muda drasticamente. De acordo com Boreyko, uma gota de água depositada em uma placa de alumínio aquecida a 150 graus Celsius (302 graus Fahrenheit) ou acima não ferverá mais. Em vez disso, o vapor que se forma quando a gota se aproxima da superfície ficará preso sob a gota, criando uma almofada que impede que o líquido entre em contato direto com a superfície. O vapor preso faz com que o líquido levite, deslizando pela superfície aquecida como um disco de air hockey. Esse fenômeno é conhecido como efeito Leidenfrost, em homenagem ao médico e teólogo alemão que o descreveu pela primeira vez em uma publicação de 1751.
Este princípio científico comumente aceito se aplica à água como um líquido, flutuando em um leito de vapor. A equipe de Boreyko se perguntou: o gelo poderia funcionar da mesma maneira?
“Existem tantos artigos sobre a levitação do líquido que queríamos fazer a pergunta sobre a levitação do gelo”, disse Boreyko. “Começou como um projeto de curiosidade. O que motivou nossa pesquisa foi a questão de saber se era ou não possível ter um efeito Leidenfrost trifásico com sólido, líquido e vapor.”
Indo para o gelo
A curiosidade desencadeou a primeira investigação no laboratório de Boreyko há cerca de cinco anos na forma de um projeto de pesquisa do então estudante de graduação Daniel Cusumano. O que ele observou foi fascinante. Mesmo quando o alumínio foi aquecido acima de 150°C, o gelo não levitou no vapor como o líquido. Cusumano continuou elevando a temperatura, observando o comportamento do gelo à medida que o calor aumentava. O que ele descobriu foi que o limite para a levitação era dramaticamente maior: 550 C (1022 F) em vez de 150 C. Até esse limite, a água derretida sob o gelo continuava a ferver em contato direto com a superfície, em vez de exibir o efeito Leidenfrost .
O que estava acontecendo debaixo do gelo que prolongou a fervura? O projeto foi retomado pelo estudante de pós-graduação Mojtaba Edalatpour pouco tempo depois, para resolver o mistério. Edalatpour estava trabalhando com Boreyko para desenvolver novos métodos de transferência de calor e colocar esse conhecimento para trabalhar na abordagem desse problema. A resposta acabou sendo o diferencial de temperatura na camada de água derretida sob o gelo. A camada de água derretida tem dois extremos diferentes: seu fundo está em ebulição, o que fixa a temperatura em cerca de 100 C, mas seu topo está aderido ao gelo restante, que o fixa em cerca de 0 C. O modelo de Edalatpour revelou que a manutenção dessa temperatura extrema diferencial consome a maior parte do calor da superfície, explicando por que a levitação era mais difícil para o gelo.
Boreyko elaborou. “O diferencial de temperatura que o gelo está criando na camada de água mudou o que acontece na própria água, porque agora a maior parte do calor da placa quente tem que atravessar a água para manter esse diferencial extremo. a energia pode ser usada para produzir mais vapor.”
A temperatura elevada de 550 graus Celsius para o efeito gelado de Leidenfrost é praticamente importante. A água fervente está transportando de maneira ideal o calor para longe do substrato, e é por isso que você sente bastante calor subindo de uma panela de água que está fervendo, mas não de uma panela de água que está apenas quente. Isso significa que a dificuldade em levitar gelo é realmente uma coisa boa, pois a janela de temperatura maior para ebulição resultará em melhor transferência de calor em comparação com o uso de um líquido sozinho.
“É muito mais difícil levitar o gelo do que levitar a gota de água”, disse Boreyko. “A transferência de calor despenca assim que a levitação começa, porque quando o líquido levita, ele não ferve mais. é terrível. Ferver é incrível.”
Usando gelo para transferência de calor
À medida que a equipe explorava possibilidades de aplicação prática, eles olhavam para o trabalho existente. Como Edalatpour tinha uma extensa pesquisa em transferência de calor, esse tópico se tornou um ajuste lógico.
A transferência de calor é mais importante para resfriar coisas como servidores de computador ou motores de carros. Requer uma substância ou mecanismo que possa afastar a energia de uma superfície quente, redistribuindo o calor rapidamente para reduzir o desgaste das peças metálicas. Em usinas de energia nuclear, a aplicação de gelo para induzir resfriamento rápido pode se tornar uma medida de emergência facilmente implantada se a energia falhar, ou uma prática regular para manutenção de peças de usinas de energia.
Existem também aplicações potenciais para a metalurgia. Para produzir ligas, é necessário extinguir o calor dos metais que foram moldados em uma estreita janela de tempo, tornando o metal mais forte e menos quebradiço. Se o gelo fosse aplicado, permitiria que o calor fosse descarregado rapidamente através das três fases da água, resfriando rapidamente o metal.
Boreyko também prevê um potencial para aplicações no combate a incêndios.
“Você pode imaginar ter uma mangueira feita especialmente para pulverizar lascas de gelo em vez de um jato de água”, disse ele. “Isso não é ficção científica. Visitei uma empresa aeroespacial que tem um túnel de gelo e eles já têm essa tecnologia onde um bico pulveriza partículas de gelo ao invés de gotas de água.”
Com inúmeras possibilidades, Boreyko e Edalatpour estão entusiasmados com a nova contribuição que chegou ao mundo da ciência. Olhando para trás nos últimos cinco anos, eles ainda creditam esse desenvolvimento emocionante à sua curiosidade compartilhada e ao desejo de serem criativos na pesquisa.
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